Лекция 1-2. «Введение. Цели и задачи заготовительного производства. Типы и формы производства, методы организации его подготовки. Производственный и технологический процессы».

Уровень развития машиностроения — один из самых значимых факторов технического прогресса, так как коренные преобразова­ния в любой сфере производства возможны лишь в результате создания более совершенных машин и разработки принципиально новых технологий. Развитие и совершенствование технологии про­изводства сегодня тесно связаны с автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычисли­тельной техники, применением оборудования с числовым программ­ным управлением. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные производства, становятся возможными опти­мизация технологических процессов, создание гибких автоматизи­рованных комплексов.

Изготовление заготовок — один из основных этапов машино­строительного производства, непосредственно влияющий на расход материалов, качество изделий, трудоемкость их изготовления и себестоимость. Разрабатывая технологию изготовления машин и приборов, обеспечивая на практике их высокое качество и надеж­ность с учетом экономических показателей, инженер-технолог дол­жен хорошо владеть методами проектирования и производства за­готовок.

Производство машин, приборов, аппаратов и других изделий машиностроения состоит из таких этапов: а) получение заготовок; б) обработка заготовок; в) сборка сборочных единиц; г) общая сборка изделий; д) контроль, регулировка и испытание изделий; е) комплектация и упаковка изделий.

Изготовление машин всегда начинается с производства заготовок. Заготовки, в зависимости от их вида и типа производства, получают в заготовительных цехах — литейных, кузнечных, штам­повочных и др.

Основное назначение заготовительного производства состоит в обеспечении механических цехов высококачественными заготов­ками.

В машиностроении используют заготовки, получаемые литьем, обработкой давлением, сваркой, а также из пластмасс и порошко­вых материалов . Современное заготовительное производство располагает возможностью формировать заготовки самой сложной конфигурации и самых различных размеров и точности. В настоящее время средняя трудоемкость заготовительных ра­бот в машиностроении составляет 40...45 % общей трудоемкости производства машин. Главная тенденция в развитии заготовитель­ного производства состоит в снижении трудоемкости механической обработки при изготовлении деталей машин за счет повышения точ­ности их формы и размеров.

1. Примерная структура производства заготовок в машиностроении

Вид заготовок	Доля заготовок, %	Вид заготовок	Доля заготовок, %
Сварные конструкции 50,0		Поковки:
Отливки 39,65		штампованные 8,2
в том числе из:		из слитков 2,1
чугуна 28,28		Изделия из металлических порошков 0,05
стали 9,3

ТИПЫ И ФОРМЫ ПРОИЗВОДСТВА И МЕТОДЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЕГО ПОДГОТОВКИ

ТИПЫ ПРОИЗВОДСТВА

В машиностроительном производстве различают три основных типа: массовое, серийное и единичное. Принадлежность производ­ства к тому или иному типу определяется степенью специализации рабочих мест, номенклатурой объектов производства, формой дви­жения этих объектов по рабочим местам.

Степень специализации рабочих мест характеризуется коэффи­циентом закрепления операций, под которым понимают количество различных операций, выполняемых на одном рабочем месте в те­чение месяца:

К_з.о = О/Р, (1.1)

где О — число различных операций, выполняемых на рабочих мес­тах участка или цеха в течение месяца; Р — количество рабочих мест на участке или в цехе.

Если за рабочим местом, независимо от его загрузки, закреплена только одна операция, то К_з._о = 1, что соответствует массовому производству. При 1 < К_з._о < 10 производство является крупно­серийным, при 10 < К_з._о < 20 — среднесерийным, при 20 < < К_з.о < 40 — мелкосерийным, при К_з._о > 40 — единичным.

Пример. На участке из 15 рабочих мест в течение месяца на 1, 2, 3, 7, 10, и 13-м рабочих местах выполнялось по одной операции; на 4, 5 и 12-м — по две; на 6, 8, 9 и 11-м — по три и на 14-м и 15-м — по четыре. Отсюда

К₃.₀ = =2,1.

Следовательно, производство на участке крупносерийное.

Массовое производство характеризуется непрерывным изготов­лением ограниченной номенклатуры изделий на узкоспециализиро­ванных рабочих местах. Изделие — это продукт конечной ста­дии производства. Массовое производство позволяет механизиро­вать и автоматизировать технологический процесс в целом и организовать его более экономично.

2. Технические характеристики различных типов производства заготовок

Характерный признак	Производство
	единичное	серийное	массовое
Повторяемость партий (серий) Технологиче­ское оборудо­вание	Отсутствует Универсальное	Периодическая Универсальное, частично специ­ализированное и специальное	Непрерывный выпуск од­них и тех же заготовок Широкое использование специального оборудо­вания и автоматических линий
Приспособления	Преимущест­венно уни­версальные	Специальные, переналаживаемые	Специальные, часто ор­ганически связанные с оборудованием
Инструмент	Преимущест­венно универ­сальный	Универсальный и специальный	Преимущественно специ­альный
Квалификация рабочих	Высокая	Различная	Низкая (при наличии высококвалифицирован­ных наладчиков)
Себестоимость готовой дета­ли	Высокая	Средняя	Самая низкая

Серийное производствохарактеризуется изготовлением ограни­ченной номенклатуры изделий партиями (сериями), повторяющи­мися через определенные промежутки времени, и широкой специа­лизацией рабочих мест. Разделение серийного производства на крупно-, средне- и мелкосерийное условно, т. к. в различных отрас­лях машиностроения при одном и том же количестве выпускаемых изделий в серии, но при существенном различии их размеров, слож­ности и трудоемкости производство может быть отнесено к разным типам. По уровню механизации и автоматизации крупносерийное производство приближается к массовому, а мелкосерийное — к единичному.

Единичное производствоотличается изготовлением в единичных количествах широкой номенклатуры неповторяющихся или повто­ряющихся через неопределенные промежутки времени изделий на рабочих местах, не имеющих определенной специализации (кроме профессиональной). В единичном производстве значительный про­цент технологических операций выполняют вручную.

Технические характеристики различных типов производств за­готовок по основным признакам представлены в табл. 1.1. Повы­шение степени специализации рабочих мест, непрерывное и прямо­точное движение по ним объектов производства, т. е. переход от единичного к серийному и от серийного к массовому производству,позволяет шире применять специальное оборудование и технологи­ческое оснащение, прогрессивные технологические процессы, пере­довые методы организации труда и в конечном итоге — повышать производительность труда, снижать себестоимость продукции, по­вышать ее качество.

Согласно ГОСТ 14.004—83 совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном производстве для изготовления или ремонта выпускаемых изделий, называется про­изводственным процессом. При осуществлении производственного процесса материалы и полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему служебному назначению. Производственный процесс охватывает: подготовку средств про­изводства и обслуживание рабочих мест; получение и хранение материалов и полуфабрикатов; все стадии изготовления деталей машин; транспортировку материалов, заготовок, деталей, частей и готовых изделий, сборку частей и изделий; технический контроль, испытания и аттестацию продукции на всех стадиях производства; разборку сборочных единиц и изделий (при необходимости); изго­товление тары; упаковку готовой продукции и другие действия, связанные с изготовлением выпускаемых изделий. Производствен­ный процесс осуществляется в пространстве и времени при взаимо­действии объектов производства с орудиями производства.

Территория, необходимая для осуществления производственного процесса, называется производственной площадью. Календарное время, необходимое для осуществления периодически повторяю­щегося производственного процесса, называется производственным циклом.

По ГОСТ 3.1109—82 часть производственного процесса, содер­жащая целенаправленные действия по изменению состояния пред­мета труда, называется технологическим процессом. При осущест­влении технологического процесса происходит последовательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабри­ката в целях получения изделия, соответствующего заданным тех­ническим требованиям. Технологический процесс имеет свою струк­туру и осуществляется на рабочих местах.

Технологическая операция — законченная часть технологическо­го процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватываю­щая все последовательные действия рабочего (или группы рабо­чих) и оборудования по изготовлению заготовки или ее обработке (одной или нескольких одновременно). Часть производственной площади цеха, на которой размещены один или несколько исполни­телей работы и обслуживаемая ими единица оборудования иличасть конвейера, а также оснастка и предметы производства, на­зывается рабочим местом. Современное производство изделий ма­шиностроения немыслимо без технологического оборудования иоснастки.

Технологическое оборудование — это орудия производства, в ко­торых для выполнения определенной части технологического про­цесса размещаются материалы или заготовки, средства воздейст­вия на них и источники энергии. Примером технологического оборудования являются литейные машины, прессы, станки, печи, гальванические ванны, моечные и сортировочные машины, испы­тательные стенды, разметочные плиты и т. д. Технологическая ос­настка — это орудия производства, используемые совместно с тех­нологическим оборудованием и добавляемые к ним для выполнения определенной части технологического процесса. Примерами техно­логической оснастки являются инструмент, штампы, приспособле­ния, пресс - формы, калибры, модели, литейные формы, стержневые ящики и т. д.

Запуск изделий в производство может осуществляться непре­рывно (в течение длительного времени) и разово (единичные экземпляры и партии). Группа заготовок одного наименования и типоразмера, запускаемая в производство одновременно или не­прерывно в течение определенного интервала времени, называется производственной партией. Технологические процессы в массовом и крупносерийном производствах характеризуются тактом выпуска. Такт выпуска — это интервал времени, через который периодически производится выпуск заготовки или изделия определенного наиме­нования, типоразмера и исполнения. Понятие «такт выпуска» ши­роко применяется при массовом и крупносерийном производстве заготовок, где имеет место высокий уровень механизации и авто­матизации производства (специальное оборудование, конвейеры и пр.). Если заготовка на данном предприятии является конечным продуктом производства (например, на сталелитейном заводе), то в этом случае она является изделием данного завода.

От правильной организации производственного процесса зави­сят результаты производственно-хозяйственной деятельности пред­приятия, экономические показатели его работы: себестоимость про­дукции, прибыль и рентабельность производства. Основным прин­ципом рациональной организации производственного процесса является специализация.

Специализация — одна из форм разделения труда, заключаю­щаяся в том, что предприятие в целом и его отдельные подразделения изготовляют продукцию ограниченной номенклатуры. Сокра­щение номенклатуры изготовляемой продукции на каждом рабочем месте, участке, в цехе и на заводе приводит к увеличению выпуска одноименной продукции, к улучшению экономических показателей за счет использования специального и более производительного оборудования, повышения степени механизации и автоматизации всех процессов, приобретения рабочими навыков в работе, улуч­шения организации труда, организации поточного производства и т. д. Уменьшению номенклатуры выпускаемой продукции спо­собствуют стандартизация, нормализация и унификация изделий и их составных частей.

Применительно к заготовительному производству принцип спе­циализации легко прослеживается на фоне различных типов про­изводства. Так, в условиях единичного производства в структуре машиностроительного завода чаще всего предусматривается один литейный цех, в котором в различных отделениях на разнообраз­ном оборудовании получают заготовки из чугуна, стали и цветных сплавов. В условиях серийного и массового производства в струк­туре завода могут быть отдельные самостоятельные цехи: стале­литейный, чугунолитейный, цветного литья. Большая концентра­ция производства однотипных заготовок приводит к созданию заводов, специализирующихся на выпуске заготовок из определен­ных материалов, определенной весовой категории, сложности и других признаков. Поэтому в нашей стране существуют заводы сталелитейные, чугунолитейные, кузнечно-штамповочные и пр. Для машиностроения США, например, характерно то обстоятельство, что еще в 50-х годах текущего столетия заготовительное производ­ство в основном отделилось от механосборочного. Соблюдение принципа специализации существенно влияет на формы и методы организации технологических процессов.

Формы и методы организации технологических процессов зави­сят от установленного порядка выполнения операций, расположе­ния технологического оборудования, количества изделий и направ­ления их движения при изготовлении. Существуют две формы ор­ганизации технологических процессов: групповая и поточная.

Основа групповой формы организации производства — группи­рование изготовляемых заготовок по однородным конструктивно-технологическим признакам. Она характеризуется единством средств технологического оснащения и специализацией рабочих мест.

Поточная форма характеризуется специализацией каждого ра­бочего места, согласованным и ритмичным выполнением всех опе­раций технологического процесса на основе такта выпуска, разме­щением рабочих мест в последовательности, соответствующей по­следовательности выполнения технологических операций.

Поточная форма производства реализуется в виде поточной ли­нии. Поточные линии, на которых заготовки изготовляются пооче­редно, партиями, называются переменно-поточными. Они характер­ны для серийного производства и применяются при изготовлении конструктивно близких заготовок с соответствующими переналад­ками оборудования и оснастки. Если на поточной линии все процес­сы автоматизированы, то поточная линия называется автомати­ческой.

В начале семидесятых годов текущего столетия в нашей стране была создана Единая система технологической подготовки произ­водства (ЕСТПП). ЕСТПП — установленная государственными стандартами система организации и управления технологической подготовкой производства, предусматривающая широкое примене­ние прогрессивных типовых технологических процессов, стандарт­ной технологической оснастки и оборудования, средств механиза­ции и автоматизации производственных процессов, инженерно-тех­нических и управленческих работ.

Технологическая подготовка производства(ТПП) должна обес­печить полную технологическую готовность предприятия произво­дить изделия высшей категории качества в соответствии с заданны­ми технико-экономическими показателями, т. е. при минимальных трудовых и материальных затратах. Под полной технологиче­ской готовностью понимают наличие на предприятии полного комплекта технологической документации и средств технологиче­ского оснащения, обеспечивающих производство изделий. ТПП включает решение многих задач, которые могут быть сгруппиро­ваны по следующим основным функциям: обеспечение технологич­ности конструкции изделия; разработка технологических процессов; проектирование и изготовление средств технологического оснаще­ния; организация и управление ТПП. Одно из видных мест в ЕСТПП занимает проектирование за­готовок и технологических процессов их получения.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют типы производства? Перечислите их основные признаки.

2. Что понимают под производственным и технологическим процессами?

3. Что понимают под технологическим оборудованием и оснасткой?

4. Какие существуют формы организации технологических процессов?

5. Дайте определение ЕСТПП и охарактеризуйте ее назначение.

6. Каковы назначение и тенденция развития заготовительного производства?

7. Какие заготовки используют в машиностроении?

Лекция 3. «Основные понятия о заготовках и их характеристика. Качество заготовок. Технологичность заготовок. Конструкционные материалы».

ЗАГОТОВКА, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Заготовкой, согласно ГОСТ 3.1109—82, называется предмет тру­да, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь.

Различают три основных вида заготовок: машиностроительные профили, штучные и комбинированные. Машиностроительные профили изготавливают постоянного сечения (например, круглого, шестигранного или трубы) или периодического. В крупносерийном и массовом производстве применяют также специальный прокат. Штучные заготовки получают литьем, ковкой, штамповкой или сваркой. Комбинированные заготовки — это сложные заготовки, получаемые соединением (например, сваркой) отдельных болеепростых элементов. В этом случае можно снизить массу заготовки, а для более нагруженных элементов использовать наиболее подходящие материалы.

Заготовки характеризуются конфигурацией и размерами, точ­ностью полученных размеров, состоянием поверхности и т. д.

Формы и размеры заготовки в значительной степени определя­ют технологию как ее изготовления, так и последующей обработки. Точность размеров заготовки является важнейшим фактором, влияющим на стоимость изготовления детали. При этом желательно обеспечить стабильность размеров заготовки во времени и в пре­делах изготавливаемой партии. Форма и размеры заготовки, а также состояние ее поверхностей (например, отбел чугунных отливок, слой окалины на поковках) могут существенно влиять на последующую обработку резанием. Поэтому для большинства заготовок необходима предварительная подготовка, заключающаяся в том, что им придается такое состояние или вид, при котором можно производить механическую обработку на металлорежущих станках. Особенно тщательно эта работа выполняется, если дальнейшая обработка осуществляется на автоматических линиях или гибких автоматизированных комплексах. К операциям предварительной обработки относят зачистку, правку, обдирку, разрезание, центрование, а иногда и обработку технологических баз.

ПРИПУСКИ, НАПУСКИ И РАЗМЕРЫ

Припуск на механическую обработку — это слой металла, уда­ляемый с поверхности заготовки с целью получения требуемых по чертежу формы и размеров детали. Припуски назначают только на те поверхности, требуемые форма и точность размеров которых не могут быть достигнуты принятым способом получения заготовки.

Припуски делят на общие и операционные. Общий припуск на обработку — это слой металла, необходимый для выполнения всех необходимых технологических операций, совершаемых над данной поверхностью. Операционный припуск — это слой металла, удаляемый при выполнении одной технологической операции. При­пуск измеряется по нормали к рассматриваемой поверхности. Общий припуск равен сумме операционных.

Размер припуска существенно влияет на себестоимость изготовления детали. Завышенный припуск увеличивает затраты труда, расход материала, режущего инструмента и электроэнергии. Заниженный припуск требует применения более дорогостоящих способов получения заготовки, усложняет установку заготовки на станке, требует более высокой квалификации рабочего.

Рис. 3.1. Припуски, напуски и размеры корпуса подшипника (а), пробки (б) и вала (в):

A _заг, Б _заг, В _заг, D _заг D'_заг, D"_заг — исходные размеры заготовки; А_дет, Б_дет, В_дет, D'_дет,D"_дет - размеры готовой детали; D₁, D₂, D'1, D"1 — операционные размеры заготовки

Кроме того, он часто является причиной появления брака при механической обработке. Поэтому назначаемый припуск должен быть оптимальным для данных условий производства.

Оптимальный припуск зависит от материала, размеров и конфигурации заготовки, вида заготовки, деформации заготовки при ее изготовлении, толщины дефектного поверхностного слоя и других факторов. Известно, например, что чугунные отливки имеют дефектный поверхностный слой, содержащий раковины, песчаные включения; поковки, полученные ковкой, имеют окалину; поковки, полученные горячей штамповкой, имеют обезуглероженный поверхностный слой.

Оптимальный припуск может быть определен расчетно - аналитическим методом, который рассматривается в курсе «Технология машиностроения». В отдельных случаях (например, когда еще не разработана технология механической обработки) припуски на обработку различных видов заготовок выбирают по стандартам и справочникам.

Действительный слой металла, снимаемый на первой операции, может колебаться в широких пределах, т. к. помимо операционного припуска часто приходится удалять напуск.

Напуск— это избыток металла на поверхности заготовки (сверх припуска), обусловленный технологическими требованиями упростить конфигурацию заготовки для облегчения условий ее получения. В большинстве случаев напуск удаляется механической обработкой, реже остается в изделии (штамповочные уклоны, увеличенные радиусы закруглений и др.).

В процессе превращения заготовки в готовую деталь ее размеры приобретают ряд промежуточных значений, которые называются операционными размерами. На рис. 3.1 на деталях различных классов показаны припуски, напуски и операционные размеры. Операционные размеры обычно проставляют с отклонениями: для валов — в минус, для отверстий — в плюс.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Роль конструкционного материала в технологическом процессе изготовления деталей машин чрезвычайно велика. С одной стороны, конструкционный материал должен обеспечить изготовление заготовок и деталей с наименьшими производственными затратами. Удельный вес стоимости материалов в себестоимости машиностроительной продукции сравнительно высок (например, в станкостроении он составляет 60 % общей стоимости, при изготовлении локомотивов и вагонов — 70...75 %) и имеет тенденцию к увеличению. С другой стороны, правильный выбор конструкционного материала должен обеспечить детали ее высокие эксплуатационные свойства, ее долговечность и ремонтопригодность.

При выборе конструкционного материала необходимо учитывать -его эксплуатационные, технологические и экономические свойства.

Эксплуатационные свойства материала должны обеспечить детали надежное выполнение своих функций. С этой точки зрения его выбор производится на основании расчетов, экспериментов или опыта эксплуатации аналогичных деталей. Данные по выбору марок материалов для изготовления деталей, работающих в определенных условиях, обычно приводятся в справочниках.

Технологические свойства (жидкотекучесть, способность к пластической деформации, свариваемость) — важный фактор, определяющий возможность и эффективность обработки данного материала выбранным технологическим методом. Проектируя деталь, конструктор должен с самого начала представлять, как ее будут изготовлять, начиная от получения заготовки и кончая финишной обработкой.

Технологические свойства материала могут заранее определить последующую технологию изготовления заготовок. Например, если станина станка изготавливается из серого чугуна, то заготовку можно получить только литьем. Чугун нельзя обрабатывать дав­лением. Он практически не сваривается (по крайней мере, при создании новых конструкций) и почти не допускает ремонта наплавкой. Литые заготовки станин требуют дополнительной обработки (естественное старение, низкотемпературный отжиг и др.) для стабилизации формы и размеров.

Экономическая эффективность используемого конструкционного материала может быть оценена его стоимостью и дефицитностью. Экономическая эффективность конструкционного материала не должна сводиться к его низкой стоимости. На выбор материала существенно влияет экономичность методов изготовления заготовок и их последующей обработки, что определяется технологическими свойствами данного материала. Кроме того, при современной тенденции все шире использовать более качественные и, следовательно, более дорогие материалы, необходимо учитывать, как их применение скажется на снижении массы и себестоимости деталив целом, на увеличении ее срока службы и ремонтопригодности.

КАЧЕСТВО ЗАГОТОВОК

Качество промышленной продукции — это совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные по­требности в соответствии с ее назначением. Одними из важнейших показателей качества машин являются:

1) эксплуатационные, которые определяют технический уровень машины (ее совершенство), ее надежность, эстетические и другие характеристики;

2) производственно-технологические, которые характеризуют главным образом технологичность конструкции машины и ее элементов;

3) экономические, которые характеризуют себестоимость изготовления, эксплуатации и ремонта машины.

Качество заготовки в большинстве случаев оценивается ее точностью и качеством поверхностного слоя.

Точность заготовок

Под точностью заготовки понимается ее соответствие требованиям чертежа и технических условий на ее изготовление. Отклонение реальной заготовки от требований чертежа (или эталона) называется погрешностью. Погрешности неизбежны на всех этапах изготовления заготовки, поэтому изготовить абсолютно точную заготовку практически невозможно.

Точность заготовок характеризуется как геометрическими (отклонения формы и размеров), так и физико-механическими свойствами (например, прочность, твердость, упругость, электропроводность и др.). Первая группа показателей изучалась в курсе «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения». Вторая группа обеспечивается правильным выбором материала и стабильностью технологии изготовления заготовок.

Для каждого метода изготовления заготовок различают достижимую и экономическую точность. Точность, которая может быть достигнута при данном типе производства высококвалифицированным рабочим в наиболее благоприятных условиях, называется достижимой. Экономическая точность достигается при данном технологическом методе в нормальных условиях производства. При проектировании технологических процессов технолог должен ориентироваться на среднеэкономическую точность.

Качество поверхностного слоя заготовок

Качество поверхностного слоя заготовок — это совокупность всех служебных свойств поверхностного слоя материала как результат воздействия на него одного или .нескольких последовательно применяемых технологических процессов. Поверхностный слой заготовки качественно отличается от материала сердцевины заготовки.

Качество поверхностного слоя характеризуют две группы параметров: геометрические (волнистость, шероховатость, субмикро - неровности) и физико-механические (химический состав; микро - структура; микротвердость; величина, знак и глубина распростра­нения остаточных напряжений и т. п.).

Качество поверхностного слоя определяется свойствами материала и технологией изготовления заготовки. Например, после горячей штамповки на поверхности заготовки будет окалина. Шероховатость поверхности заготовки, полученной холодной штам­повкой, значительно ниже, чем заготовки, полученной горячей штамповкой, но ее поверхностный слой имеет наклеп. Если заготовка подверглась химико-термической обработке, ее поверхностный слой имеет иной химический состав и структуру, чем основа.

Геометрические параметры качества поверхностного слоя и точность заготовки в определенном смысле взаимосвязаны. Например, если заготовку получают литьем в песчаные формы, то микро и макронеровности не позволяют получить высокую точность размеров. Выбирая вид заготовки и технологию ее производства, необходимо знать точность и качество поверхностного слоя заготовки, которые при этом могут быть получены.

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК

Основные понятия технологичности

Технологичность конструкции изделия, согласно ГОСТ 14.205 — 83, представляет собой совокупность свойств конструкции, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Отработка на технологичность обязательна на всех стадиях создания изделий.

Вопросы технологичности должны решаться комплексно, начиная со стадии проектирования заготовки и выбора метода ее изготовления и кончая процессом механической обработки и сборки всего изделия. Отработанная на технологичность заготовка не должна усложнять последующую механическую обработку. Техно­логичность, как правило, закладывается на стадии проектирования, поэтому от конструктора требуется высокий уровень технологической подготовки.

Технологичность — понятие относительное. Одна конструкция заготовки может быть технологична при данном типе производства и совершенно нетехнологична при другом. Технологичность зависит также от производственных возможностей данного предприятия (завода). Развитие производственной базы предприятия (напри­мер, внедрение станков с ЧПУ, автоматизированного оборудова­ния) изменяет требования к технологичности.

Порядок и правила обеспечения технологичности устанавливаются государственными стандартами. Современные тенденции состоят в том, что отработка конструкции на технологичность все в большей степени смещается на стадию разработки конструкторской документации. Это требует делового и творческого сотрудничества конструкторов и технологов, как при выборе вида заготовки, так и при разработке технологии ее последующей обработки.

Показатели технологичности

Показатели технологичности различают двух видов: качественные и количественные.

Качественную оценку («хорошо — плохо», «допустимо — недопустимо») получают, путем сравнения двух и более вариантов заготовок. Критерием в этом случае являются справочные данные и опыт технолога и конструктора. Обычно такая оценка производится на стадии эскизного проектирования и всегда предшествует количественной оценке.

Количественные показатели дают возможность объективно и достаточно точно оценить технологичность сравниваемых конструкций. Выбор показателей зависит от назначения детали (заготовки), типа производства и условий эксплуатации. Для каждой детали выбирают свои, наиболее характерные показатели. Применительно к заготовкам чаще всего в качестве показателей технологичности используют трудоемкость изготовления, технологическую себестоимость и коэффициент использования металла.

Трудоемкость изготовления заготовки представляет собой суммарные затраты времени на производство заготовки по всем технологическим операциям. Составляющие нормы времени на выполнение работ по отдельным операциям приводятся в соответствующих справочниках.

На ранних стадиях проектирования применяют приближенные методы оценки трудоемкости. Например, «весовым методом» трудоемкость оценивается по трудоемкости типовой заготовки, аналогичной по форме, точности и технологии изготовления:

Т_пр = T_тип (3.1)

где Т_ПР, Ттип — трудоемкость соответственно проектируемой и типовой заготовок; G_пр, G_тип — масса соответственно проектируемой и типовой заготовок.

Для оценки технологичности используют также отношение трудоемкости механической обработки к трудоемкости получения заготовки Т_мех / Т_заг- Чем меньше это отношение, тем технологичнее заготовка (уменьшается объём механической обработки). Отношение Т_мех / Т_заг зависит также от типа производства (для единичного производства оно максимально).

Технологическая себестоимость изготовления применяется для выбора наилучшего варианта заготовки в условиях одного способа производства (цеха, завода). В общем виде для одной детали она состоит из следующих элементов:

С_т.д = М + З + И_и.0 + С_об, (3.2)

где М — стоимость расходуемых основных материалов, р./шт.; З — заработная плата производственных рабочих, р./шт.; И_н.₀ — возмещение износа оснастки, р./шт.; С_0б — расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования за время изготовления одной детали, р./шт.

Все элементы себестоимости взаимосвязаны. Например, изменение вида заготовки вызывает изменение затрат на механическую обработку. Изменение конструкционного материала может вызвать изменение номенклатуры технологического оборудования. Из сравниваемых вариантов выбирают тот, для которого технологическая себестоимость минимальна независимо от отдельных составляющих.

Коэффициент использования металла — это безразмерная величина, определяемая отношением массы изделия к массе израсходованного металла:

К _и.м = G_д / G_p, (3.3)

где G_д — масса готовой детали; G_P — масса всего израсходованного металла, включая массу литников, облоя, окалины, брака и т. п.

Различают коэффициент К_в.г выхода металла, годного в заготовительных цехах, и коэффициент весовой точности К_в.г:

К_в.г = G₃ / G_p, (3.4)

где G₃ — масса заготовки;

К_в.г = G_д / G_з. (3.5)

При прочих равных условиях более выгодны высокие значения К_и.м. Для оценки влияния технологичности заготовки на коэффициент использования металла необходимо помнить, что

К_и.м = К _в.г К_в.т. (3.6)

Обеспечение технологичности заготовок на стадии проектирования

Задача обеспечения технологичности заготовок должна решаться с учетом взаимодействия всех служб завода (конструкторы, технологи, работники технического снабжения и т. д.) и конкретных производственных условий (наличие на заводе определенного оборудования, материалов, площадей). Способы повышения техно­логичности в значительной степени зависят от типа производства, объема партии, вида заготовки и других факторов. Поэтому ниже приводятся лишь некоторые рекомендации по повышению технологичности заготовок.

Рис. 3.2. Шпилька, изготовленная обработкой резанием (а) и накатыванием (б)

Рис. 3.3. Примеры уменьшения объема механической обработки за счет уменьшения протяженности обрабатываемых поверхностей(а) и уменьшения их количества (б)

1. Желательно, чтобы очертания заготовки представляли собой сочетание наиболее простых геометрических форм.

2. Форма и размеры отдельных элементов заготовки (галтели, уклоны и т. п.) должны быть унифицированы.

3. Точность размеров и шероховатость поверхностей заготовок должны быть экономически обоснованными.

4. Желательно максимально использовать способы получения заготовок, не требующие последующего снятия стружки (рис. 3.2).

5. При невозможности обойтись без механической обработки необходимо стремиться максимально ее сокращать за счет уменьшения количества и протяженности обрабатываемых поверхностей (рис. 3.3).

6. Конструкция детали должна допускать возможность ее изготовления составной из двух и более частей (рис. 3.4).

а б

Рис. 3.4. Конструкция цельной (а) и составной (б) детали

Контрольные вопросы

1. Что такое заготовка? Как классифицируют заготовки?

2. Что такое напуск и припуск; в каких случаях они назначаются и как опреде­ляются?

3. Как влияет материал на выбор способа получения заготовки? Приведите

примеры.

4. Какие типы показателей характеризуют качество заготовки?

5. Что представляет собой достижимая и экономическая точность заготовки? Как влияет заданная точность на себестоимость заготовки и готовой детали?

6. Что подразумевают под качеством поверхностного слоя заготовки и какие факторы на него влияют?

7. Что понимают под технологичностью заготовки и какими показателями она

оценивается?

8. Как обеспечивается технологичность заготовок на стадии проектирования?

Лекция 4. «Выбор способа получения заготовок. Технологические возможности основных способов получения заготовок. Основные принципы выбора способа получения заготовок».

Основные способы производства заготовок — литье, обработка давлением, сварка. Способ получения той или иной заготовки за­висит от служебного назначения детали и требований, предъяв­ляемых к ней, от ее конфигурации и размеров, вида конструкци­онного материала, типа производства и других факторов.

Литьем получают заготовки практически любых размеров как простой, так и очень сложной конфигурации. При этом отливки могут иметь сложные внутренние полости с криволинейными по­верхностями, пересекающимися под различными углами. Точность размеров и качество поверхности зависят от способа литья. Неко­торыми специальными способами литья (литье под давлением, по выплавляемым моделям) можно получить заготовки, требующие минимальной механической обработки.

Отливки можно изготавливать практически из всех металлов и сплавов. Механические свойства отливки в значительной степени зависят от условий кристаллизации металла в форме. В некоторых случаях внутри стенок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, горячие и холодные трещины), которые обна­руживаются только после черновой механической обработки при снятии литейной корки.

Обработкой металлов давлением получают машиностроитель­ные профили, кованые и штампованные заготовки.

Машиностроительные профили изготавливают прокаткой, прес­сованием, волочением. Эти методы позволяют получить заготовки, близкие к готовой детали по поперечному сечению (круглый, шести­гранный, квадратный прокат; сварные и бесшовные трубы). Про­кат выпускают горячекатаный и калиброванный. Профиль, не- обходимый для изготовления заготовки, можно прокалибровать волочением. При изготовлении деталей из калиброванных профи­лей возможна обработка без применения лезвийного инструмента.

Ковка применяется для изготовления заготовок в единичном производстве. При производстве очень крупных и уникальных за­готовок (массой до 200...300 т) ковка — единственный возможный способ обработки давлением. Штамповка позволяет получить за­готовки, более близкие по конфигурации к готовой детали (массой до 350...500 кг). Внутренние полости поковок имеют более простую конфигурацию, чем отливок, и располагаются только вдоль на­правления движения рабочего органа молота (пресса). Точность и качество заготовок, полученных холодной штамповкой, не усту­пают точности и качеству отливок, полученных специальными ме­тодами литья.

Обработкой давлением получают заготовки из достаточно пла­стичных металлов. Механические свойства таких заготовок всегда выше, чем литых. Обработка давлением создает волокнистую макроструктуру металла, которую нужно учитывать при разработ­ке конструкции и технологии изготовления заготовки. Например, в зубчатом колесе, изготовленном из проката (рис. 4.1,а), направление волокон не способствует повышению прочности зубьев. При изготовлении заготовки штамповкой из полосы (рис. 4.1,6) или осадкой из прутка (рис. 4.1, в) можно получить более благоприят­ное расположение волокон

Рис. 4.1. Макроструктура зубчатых колес, изготовленных:

а — из проката; б — штамповкой из полосы; в — осадкой из прутка;

1 — благоприятное и 2 — неблагоприятное расположе­ние волокон

Сварные заготовки изготавливают различными способами сварки — от электродуговой до электрошлаковой. В ряде случаевсварка упрощает изготовление заготовки, особенно сложной кон­фигурации. Слабым местом сварной заготовки является сварной шов или околошовная зона. Как правило, их прочность ниже, чем основного металла. Кроме того, неправильная конструкция заго­товки или технология сварки могут привести к дефектам (коро­бление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой.

Комбинированные заготовки сложной конфигурации дают зна­чительный экономический эффект при изготовлении элементов за­готовки штамповкой, литьем, прокаткой с последующим соедине­нием их сваркой. Комбинированные заготовки применяют при изготовлении крупных коленчатых валов, станин кузнечно-прессового оборудования, рам строительных машин и т. д.

Перспективно в настоящее время получение заготовок из пласт­масс и порошковых материалов. Характерной особенностью таких заготовок является то, что они по форме и размерам могут соответ­ствовать форме и размерам готовых деталей и требуют лишь не­значительной, чаще всего отделочной обработки.

Основные принципы выбора способа получения заготовок

Одну и ту же деталь можно изготовить из заготовок, получен­ных различными способами. Одним из основополагающих принци­пов выбора заготовки является ориентация на такой способ изготов­ления, который обеспечит ей максимальное приближение к готовой детали. В этом случае существенно сокращается расход металла, объем механической обработки и производственный цикл изготов­ления детали. Однако при этом, в заготовительном производстве уве­личиваются расходы на технологическое оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому при выборе способа получения заготовки следует проводить технико-экономический анализ двух этапов производства — заготовительного и механообрабатывающего.

Разработка технологических процессов изготовления заготовок должна осуществляться на основе технического и экономического принципов. В соответствии с техническим принципом выбранный технологический процесс должен полностью обеспечить выполне­ние всех требований чертежа и технических условий на заготовку. В соответствии с экономическим принципом изготовление заготов­ки должно вестись с минимальными производственными затра­тами.

Из нескольких возможных вариантов технологического процесса при прочих равных условиях выбирают наиболее экономичный, при равной экономичности — наиболее производительный. Если ставятся специальные задачи, например срочный выпуск какой-ни­будь важной продукции, решающими могут оказаться другие фак­торы (более высокая производительность, минимальное время под­готовки производства и др.).

Факторы, определяющие выбор способа получения заготовок

Форма и размеры заготовки

Наиболее сложные по конфигурации заготовки можно изготав­ливать различными способами литья. Литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям позволяют получать заготовки сложной формы с различными полостями и отверстиями. В то же время некоторые способы литья (например, литье под давлением) вы­двигают определенные ограничения к форме отливки и условиям ее изготовления.

Заготовки, получаемые штамповкой, должны быть более про­стыми по форме. Изготовление отверстий и полостей штамповкой в ряде случаев затруднено, а использование напусков резко уве­личивает объем последующей механической обработки.

Для простых по конфигурации деталей часто заготовкой явля­ется прокат (прутки, трубы и т. п.). Хотя в этом случае объем механической обработки возрастает, такая заготовка может быть достаточно экономичной из-за низкой стоимости проката, почти полного отсутствия подготовительных операций и возможности автоматизации процесса обработки.

Для литья и ковки размеры заготовки практически не ограни­чиваются. Нередко ограничивающим параметром в этом случае являются определенные минимальные размеры (например, мини­мальная толщина стенки отливки, минимальная масса поковки). Штамповка и большинство специальных методов литья ограничи­вают массу заготовки до нескольких десятков или сотен кило­граммов.

Форма (группа сложности) и размеры (масса) отливок и по­ковок влияют на их себестоимость. Причем масса заготовки влияет активнее, так как с ней связаны расходы на оборудование, оснастку, нагрев и т. п. Значительное снижение стоимости изготовления ли­тых и штампованных заготовок происходит при увеличении их массы от 2 до 30 кг.

Требуемые точность и качество поверхностного слоя заготовок

Требуемая точность геометрических форм и размеров заготовок существенно влияет на их себестоимость. Чем выше требования к точности отливок, штамповок и других заготовок, тем выше стоимость их изготовления. Это определяется главным образом увеличением стоимости формообразующей оснастки (модели, штам­пы, пресс-формы), уменьшением допуска на ее износ, применением оборудования с более высокими параметрами точности (и, следо­вательно, более дорогого), увеличением расходов на его содержа­ние и эксплуатацию. В оптовых ценах на заготовки это удорожание выражается в виде надбавок к базовой цене. Размеры надбавок составляют для отливок 3...6 %, для штамповок — 5...15 %.

Качество поверхностного слоя заготовки сказывается на воз­можности ее последующей обработки и на эксплуатационных свой­ствах детали (например, усталостная прочность, износостойкость). Оно формируется практически на всех стадиях изготовления за­готовки. Технологический процесс определяет не только микро­геометрию поверхности, но и физико-механические свойства по­верхностного слоя.

В качестве примера сравним заготовки, полученные литьем в песчаные формы и под давлением. В первом случае получают грубую неточную поверхность. При обработке такой заготовки ре­занием возникает неравномерная нагрузка на резец, что в свою очередь снижает точность обработки. Особенно ярко это проявля­ется при обработке внутренних поверхностей.

Во втором случае поверхность заготовки имеет низкую высоту микронеровностей, но в связи с высокой скоростью охлаждения и отсутствием податливости формы в поверхностном слое металла создаются остаточные напряжения растяжения. Последние могут привести к короблению отливки и трещинам. Иногда остаточные напряжения выявляются не сразу, а при последующей механиче­ской обработке. Съем слоя металла с поверхности нарушает равно­весие напряжений и приводит к деформации готовой детали.

Технологические свойства материала заготовки

Каждый способ производства заготовок требует от материала определенного комплекса технологических свойств. Поэтому часто материал накладывает ограничения на выбор способа получения заготовки. Так, серый чугун имеет прекрасные литейные свойства, но не куется. Титановые сплавы обладают высокими антикоррози­онными свойствами, но получить из них отливки или поковки весь­ма затруднительно.

Технологические свойства оказывают влияние на себестоимость изготовления заготовок. Например, переход при изготовлении от­ливки от чугуна к стали повышает себестоимость литья (без учета стоимости материала) на 20...30 %. Применение легированных и высокоуглеродистых сталей при производстве заготовок штампов­кой повышает стоимость их изготовления на 5...7 %.

Если заготовки из одного и того же материала получать раз­личными способами (литье, обработка давлением, сварка), то они будут обладать неидентичными свойствами, т. к. в процессе изго­товления заготовки происходит изменение свойств материала. Так литой металл характеризуется относительно большим размером зерен, неоднородностью химического состава и механических свойств по сечению отливки, наличием' остаточных напряжений и т. д. Металл после обработки давлением имеет мелкозернистую структуру, определенную направленность расположения зерен (во­локнистость). После холодной обработки давлением возникает на­клеп. Холоднокатаный металл прочнее литого в 1,5...3,0 раза. Пла­стическая деформация металла приводит к анизотропии свойств: прочность вдоль волокон примерно на 10... 15 % выше, чем в попе­речном направлении.

Сварка ведет к созданию неоднородных структур в самом свар­ном шве и в околошовной зоне. Неоднородность зависит от спо­соба и режима сварки. Наиболее резкие отличия в свойствах свар­ного шва получают при ручной дуговой сварке. Электрошлаковая и автоматическая дуговая сварки дают наиболее качественный и однородный шов.

Программа выпуска продукции

Программа выпуска продукции, т. е. количество изделий, вы­пускаемых в течение определенного периода времени (обычно за год), является одним из важнейших факторов, определяющих вы­бор способа производства заготовок. Ее влияние для каждого технологического процесса легко проследить по себестоимости од­ной заготовки:

С_заг = а + b / П (4.1)

или производственной партии:

С = а П + b, (4.2)

где а — текущие затраты (стоимость расходуемого материала, за­работная плата основных рабочих, расходы на эксплуатацию обо­рудования и инструмента и т. д.); b — единовременные затраты (на оборудование, инструмент, его амортизацию и ремонт); П — размер производственной партии, шт.

Очевидно, что уве­личение размера пар­тии ведет к уменьше­нию себестоимости за­готовки. Однако такое снижение себестоимо­сти происходит не одно­значно. При увеличе­нии производственной партии свыше значения Пi требуется введение дополнительного обо­рудования, технологи­ческой оснастки. Зави­симость себестоимости от размеров партии приобретает в этом случае более сложный (ступенчатый) характер (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Зависимость себестоимости С пар­тии заготовок (1) и одной заготовки (2) от размера производ­ственной партии П:

П₁, П₂ — критические значения размеров пар­тии

Рис. 4.3. Сравнение себе­стоимости С технологи­ческих процессов изго­товления заготовки (ва­рианты 1 я 2) в зависи­мости от размера произ­водственной партии

Сравнение двух (или нескольких) вариантов технологических процессов изготовления заготовок можно осуществить графически (рис. 4.3). Точка пересечения дает критическую производственную партию П_к, которая разделяет области рационального применения того или иного технологического процесса.

Программа выпуска позволяет также определить экономически целесообразные пределы применения различных методов получения заготовок (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Поводок (а) и зависимость себестоимос­ти заготовки от метода ее изготовления и разме­ра производственной партии (б)

Производственные возможности предприятия

При организации производства нового вида заготовок, кроме разработки технологических процессов, следует установить необхо­димость нового оборудования, производственных площадей, коопе­ративных связей, постановки дополнительных материалов, электро­энергии, воды и т. п. В этом случае выбор оборудования, оснастки и материалов производится на основании предварительного техни­ко-экономического анализа.

При проектировании технологического процесса для действую­щего предприятия его следует связать с возможностями этого пред­приятия. Для этого необходимо располагать сведениями о типе и количестве имеющегося оборудования, производственных площа­дях, возможностях ремонтной базы, вспомогательных служб и т. д.

Многие из упомянутых выше факторов взаимосвязаны. Напри­мер, внедрение литья в металлические формы (кокиль) позволяет значительно снизить потребность в производственных площадях в литейном цехе (уменьшаются габаритные размеры машин, снижа­ется расход формовочных материалов и т. п.). Но, с другой стороны, изготовление и ремонт кокилей требует дополнительных затрат в инструментальных и ремонтных цехах.

Определенное влияние на выбор способа изготовления заготов­ки оказывают также наличие и уровень квалификации рабочих и ИТР па предприятии. Чем ниже квалификация рабочих и больше производственная программа, тем детальнее необходимо разраба­тывать технологическую документацию, тем больше нагрузка на технологические службы предприятия и выше требования к квали­фикации ИТР.

Длительность технологической подготовки производства

В процессе технологической подготовки производства решаются задачи: технологического проектирования — разработка технологи­ческих процессов, маршрутных карт и т. п.; нормирования — рас­четы трудоемкости операций и материалоемкости деталей; кон­струирования и производства основного и вспомогательного обо­рудования и технологической оснастки.

Сложность периода технологической подготовки производства состоит в том, что все работы должны вестись в кратчайшие сроки с минимальной трудоемкостью и стоимостью. Удлинение периода подготовки производства может привести к моральному устарева­нию изделия, снижению фондоотдачи капиталовложений и т. д. Поэтому начинать подготовку желательно еще во время проекти­рования изделия.

Длительность и объем технологической подготовки производст­ва определяется сложностью изготавливаемого изделия, характе­ром применяемых технологических процессов и типом производ­ства. Чем больше количество и сложность используемого обору­дования, тем больше объем и длительность подготовки. В условиях массового и серийного производства технологическая подготовка ведется особенно подробно. В единичном производстве технологи­ческая подготовка ограничивается разработкой минимальных дан­ных, необходимых для производства. Их детализация возлагается на цеховые технологические службы. В некоторых случаях (на­пример, для устранения «узких» мест производства) с целью сокра­щения периода подготовки выбирают такой метод производства заготовок, который требует минимальных затрат на производство оборудования, инструментов и оснастки, необходимых для осуще­ствления данного технологического процесса.

МЕТОДИКА ВЫБОРА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК

На первом этапе тщательно анализируются детальные и сбо­рочные чертежи изделия, взаимосвязи элементов конструкции при сборке, эксплуатации и ремонте. Анализ сопровождается кри­тической оценкой чертежей с точки зрения технологичности и обо­снованности технических требований. Все выявленные недостатки исправляются совместно с разработчиком конструкции.

Затем, исходя из заданной программы выпуска продукции, кон­фигурации и размеров основных деталей и узлов, а также произ­водственных возможностей предприятия, устанавливается тип и характер будущего производственного процесса (единичное, серий­ное или массовое; групповое или поточное).

В соответствии с конструкцией детали и предъявляемыми тех­ническими требованиями устанавливают основные факторы , определяющие выбор вида заготовки и технологии ее изго­товления. Факторы желательно располагать в порядке убывания их значимости.

Анализируя степень влияния рассмотренных выше факторов, выбирают один или несколько технологических процессов, обеспе­чивающих получение заготовок требуемого качества. Одновремен­но проверяют возможность использования комбинированных заго­товок. На предварительном этапе выбора оптимального способа получения заготовок можно воспользоваться так называемой матрицей влияния факторов (табл. 4.1). Оценка каждого фактора в ней производится «плюс — минус» или с помощью коэффициента удельного веса (от 0 до 1). Лучшим считается способ, набравший большее число плюсов или большую сумму коэффициентов.