ВЛИЯНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВКИ НА СТРУКТУРУ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Поверхности деталей делятся на обрабатываемые и необраба­тываемые. В этой связи все детали в машиностроении можно раз­делить на три группы. К первой группе относятся детали, точность и качество поверхностного слоя которых могут быть обеспечены тем или иным способом получения заготовки без какой-либо меха­нической обработки.

Рис.4.5 Корпус подшипника

Типичными представителями таких деталей являются детали, получаемые холодной штамповкой из пластмасс, металлических порошков черных и цветных металлов, а также (ре­же) прецизионными способами литья и горячей штамповки. Вто­рая группа — детали, у которых все поверхности должны быть об­работаны механически. Необходимость в механической обработке здесь может быть обусловлена двумя причинами: отсутствием способов получения заготовки, обеспечивающих требуемые по чертежу точность и качество поверхностного слоя, или экономичес­кой нецелесообразностью (дороговизной) получения требуемого ка­чества детали имеющимися технологическими способами получения заготовок. Третью группу составляют детали, у которых часть поверхностей не обрабатывается, а наиболее точные, исполнительные поверхности, подлежат обработке путем снятия стружки. Третья группа наиболее многочисленна и занимает промежуточное поло­жение между первыми двумя. Производство деталей первой груп­пы обходится наиболее дешево. Оно открывает путь к безотходной или, по крайней мере, малоотходной технологии. В стремлении к такому производству проявляется одна из самых важных тенден­ций развития машиностроения. Однако низкий уровень большин­ства наиболее распространенных в настоящее время способов по­лучения заготовок вынуждает иметь в структуре любого машино­строительного завода механические цехи, в которых заготовки превращаются в детали путем снятия с их поверхностей припусков на обработку.

Таким образом, основной тенденцией заготовительного произ­водства является повышение точности и улучшение качества по­верхностного слоя заготовок. Однако достижение этих качеств при малой программе выпуска может оказаться экономически невы­годным, так как расходы на оснастку для заготовительных про­цессов могут превысить экономию на механической обработке.

Рассмотрим сказанное на примере детали (рис. 3.5), всем обра­батываемым поверхностям которой присвоены номера. Точность и шероховатость пронумерованных поверхностей различны. Поверх­ности, 2, 3, 4, 6, 7, 8 и 9нуждаются в однопереходной обработке (строгании, фрезеровании или точении). Поверхность 1, являю­щаяся базовой поверхностью, требует применения двухпереходной обработки (чистового и чернового фрезерования). Поверхность 5,

Рис 4.6. Маршрут поэтапной обработки поверхностей детали, изобра­женной на рис. 4.5

являющаяся исполнительной, требует трех -, а в некоторых случаях и четырехпереходной обработки. Из этого следует, что маршрут обработки каждой из обрабатываемых деталей различен и опре­деляется требуемыми квалитетами точности' и шероховатостью. Заготовка в процессе ее превращения в готовую деталь проходит ряд этапов, каждый из которых обеспечивает получение опреде­ленной точности и качества поверхностей. Так, заготовительный этап при обычных методах получения заготовок устойчиво обеспе­чивает точность, соответствующую 15...17 квалитетам, чистовой — 7...9, отделочный — 5...7.

С учетом вышесказанного маршрут обработки поверхностей рассматриваемой детали можно представить графически (рис. 4.6). Из рисунка следует, что длительность технологического процесса изготовления детали определяется длительностью маршрута обра­ботки наиболее ответственной (исполнительной) поверхности, в данном случае отверстия под подшипник. Именно чистовой или отделочной операцией этой поверхности и завершается механиче­ская обработка детали. Все же остальные поверхности завершают свой маршрут на более ранних (черновой, получистовой) этапах. Если повысить точность изготовления отливки корпуса подшипни­ка, применив какой-либо специальный метод литья, обеспечиваю­щий получение точности всех размеров по 13 квалитету, то необходи­мость в механической обработке поверхностей 2, 3, 4, 6, 7, 8 и 9отпадает. Однако стоимость получения такой отливки резко воз­растает.

И далее: если применить способ литья, обеспечивающий полу­чение размеров по 10-му квалитету, то на долю механической обработки останется только чистовое растачивание отверстия под подшипник (поверхность 5), точение фасок (поверхности 6и 9) и обработка отверстия М10 (поверхность 10). Стоимость такой заготовки окажется еще более высокой. При этом точность поверх­ностей 2, 3, 4, 7 я 8 окажется избыточной, т. е. такой, которая не требуется по чертежу. Это явление нежелательно, так как именно благодаря ему резко растет стоимость заготовки.

Рассмотренный пример наглядно показывает, что точность и ка­чество поверхностного слоя заготовки оказывают существенное влияние на структуру технологического процесса механической обработки заготовки. И то, и другое имеет непосредственное отно­шение к себестоимости изготавливаемых деталей. Поэтому в каж­дом конкретном случае надо искать такой компромиссный вариант получения заготовки, который обеспечивал бы минимальную себе­стоимость изготовления детали. Для этого необходимо более де­тально познакомиться со структурой себестоимости изготовления детали.

Рассмотрим эту задачу, допустив, что существует множество способов получения заготовок, обеспечивающих непрерывность функции:

С_Д = f (Т), (4.6)

где С_д— себестоимость изготовления детали; Т — точность заго­товки, выраженная допуском соответствующего квалитета.

Себестоимость детали можно представить в виде:

С_д = С_м + С_з + С_п + С_ч + С_о, (4.7)

где С_м — стоимость исходного материала, идущего на изготовле­ние заготовки, р.; С₃ — стоимость изготовления заготовки, р.; С_п, С_ч, С₀ — стоимость соответственно предварительной, чистовой и отделочной обработки, р..

Практика машиностроения показывает:

с увеличением допуска Т (простые и дешевые способы полу­чения заготовок) увеличиваются затраты на материал С_м, затраты на получение заготовок С₃ уменьшаются, а затраты на механиче­скую обработку С_п возрастают; с уменьшением допуска Т уменьшают­ся расходы на материал С_м, затраты на предварительную С_п, а иногда и на чи­стовую С_ч обработку отпадают, зато рез­ко возрастают расходы на получение за­готовки С₃.

Рис. 4.7. Зависимость полной себестоимости дета­ли С_д от допуска Т на изготовление заготовки при постоянной программе выпуска

Все изложенное выше можно проиллюстрировать графиком (рис. 4.7), из которого следует, что всегда существует такой способ получения заготовки, при котором себестоимость изготовления де­тали будет минимальной.

Контрольные вопросы

1. Определите технологические возможности основных способов получения за­готовок.

2. Какие цели преследует выбор способа получения заготовки?

3. Назовите факторы, определяющие выбор способа производства заготовок.

4. Сформулируйте последовательность выбора способа изготовления заготовок.

5. Какие требования предъявляются к заготовке с точки зрения последующей механической обработки?

6. Каковы способы уменьшения массы технологического и заготовительного от­ходов?

7. Как изменяются затраты на получение заготовки и на механическую обработ­ку с повышением точности ее формы и размеров (с уменьшением полей до­пусков)?

Лекции 5. «Проектирование и производство литых заготовок. Способы производства литых заготовок. Литейные сплавы. Технологические возможности способов литья и области их применения».

Литьем получают заготовки путем заливки жидкого металла в формы. Основные способы изготовления отливок — литье в пес­чаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное и центробежное литье, литье под давлением. Последние пять способов называют специальными.

Литье в песчаные формы — самый распространенный способ литья. В машиностроении им изготавливают 75...80 % отливок (по массе). В зависимости от размеров отливки и типа производства применяют ручную, машинную или стержневую формовку. В пес­чаных формах можно получить отливки самой сложной конфигу­рации и массой от нескольких граммов до сотен тонн.

Получаемые заготовки характеризуются низкой точностью, высокими параметрами шероховатости и большими припусками на механическую обработку. Стоимость изготовления отливок мини­мальна, но стоимость их механической обработки больше, чем за­готовок, полученных остальными способами литья. Литье в песча­ные формы требует наибольших затрат металла. В песчаных фор­мах получают преимущественно отливки из стали, чугуна, реже — из цветных металлов. Этот способ чаще всего применяется в еди­ничном и серийном производстве. Применение его в массовом про­изводстве возможно только при высокой степени механизации.

Литье в оболочковые формы состоит в том, что изготавливают две полуформы толщиной 6...20 мм из формовочной смеси, состоя­щей из песка и фенолформальдегидных смол в качестве связки. Аналогично могут быть изготовлены оболочковые стержни. После сборки оболочковые формы помещают в неразъемные опоки, кото­рые засыпают песком или дробью.

Песчано-смоляная формовочная смесь содержит мелкозерни­стый песок и обладает высокой подвижностью. Это позволяет по­лучить более высокую точность отпечатка и меньшую высоту микронеровностей поверхности отливки. При заливке жидкого ме­талла образуется тонкая газовая рубашка, которая предотвращает пригар формовочной смеси. В результате могут быть достигнуты точность размеров, соответствующая 12-му квалитету, и параметр шероховатости поверхности 20...10 мкм.

Литье в оболочковые формы позволяет уменьшить объем обруб­ных и очистных работ примерно на 50%, расход металла — на 30...50 %, сокращает объем последующей механической обработки на 40.„50 %, а расход формовочной смеси — в 10...20 раз. Процесс изготовления отливки может быть полностью механизирован.

Главным недостатком оболочкового литья является высокая стоимость связующего вещества (фенолформальдегидных смол). Формовка производится с помощью более дорогой металлической модельной оснастки. Литье в оболочковые формы применяется в основном для изготовления мелких и средних отливок. Хорошо льются тонкостенные отливки из чугуна, углеродистой и легиро­ванной сталей и цветных металлов. Сравнение экономических по­казателей литья в песчаные и оболочковые формы приведено в табл. 4.1.

Литье по выправляемым моделям применяется для изготовле­ния сложных и точных заготовок практически из любых сплавов. В этом случае для каждой отливки изготавливается разовая мо­дель с элементами литниковой системы из легкоплавкого модель­ного состава (на основе парафина, стеарина, церезина и других материалов). Формовочная смесь в виде жидкой суспензии нано­сится в несколько слоев (до 12) с сушкой каждого слоя на воздухе в течение 2...4 ч. После выплавления моделей и прокаливания по­лучают прочную тонкостенную оболочку толщиной 1,5...4,0 мм.

Полученная форма не имеет разъемов и знаковых частей. Это дает высокую точность размеров (до 11 квалитета) и взаимного расположения поверхностей. В качестве огнеупорной составляю­щей в формовочной смеси используется пылевидный кварц, благо­даря чему может быть достигнут параметр шероховатости поверх­ности R_z = 20... 10 мкм. Заливка металла производится чаще всего сразу после прокаливания, т. е. в формы, нагретые до 900 °С. Этим создаются благоприятные условия для заполнения формы и пита­ния отливки во время кристаллизации.

Механическая обработка полученных заготовок сводится к ми­нимуму или может быть полностью исключена. В то же время это самый сложный, самый длительный и трудоемкий способ литья. Применяется для изготовления заготовок размерами от 0,5 до 1250 мм.

Литьем по выплавляемым моделям экономически наиболее вы­годно изготавливать мелкие, но сложные по конфигурации заготов­ки, к которым предъявляются высокие требования по точности размеров и шероховатости поверхности или которые собираются (свариваются) из двух и более элементов. Обычно льют детали из цветных сплавов, высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, плохо обрабатывающихся резанием или обладающих низ­кими литейными свойствами. Основная часть экономии при этом способе литья достигается за счет уменьшения массы заготовки и объема ее механической обработки.

Кокильное литье — наиболее дешевый среди специальных спо­собов литья. Его главная особенность состоит в многократном использовании металлической формы — кокиля. Стойкость чугун­ных кокилей составляет при изготовлении стального литья 50... 500 отливок, чугунного — 400...8000 отливок, литья из цветных сплавов — тысячи и десятки тысяч отливок.

Кокили позволяют получать отливки со стабильными и точны­ми размерами (до 12 квалитета). Параметр шероховатости может достигать R_z = 20 мкм. В связи с большой теплопроводностью ма­териала формы скорость кристаллизации очень велика. Это повы­шает механические свойства отливки (за счет получения мелко­зернистой структуры) на 10... 15 %. но в то же время затрудняет получение отливок с тонкими стенками. Кокиль практически не обладает податливостью и газопроницаемостью, что необходимо учитывать при конструировании отливки.

При переходе с литья в песчаные формы на кокильное расход металла уменьшается на 10...20 % за счет сокращения литниковой системы. Трудоемкость механической обработки вследствие умень­шения припусков и высокой точности размеров уменьшается в 1,5...2,0 раза.

Одновременно необходимо учитывать, что сами кокили стоят довольно дорого, что в них можно изготавливать отливки сравни­тельно простой конфигурации и что возможно их коробление из-за значительных усадочных и термических напряжений.

Кокильное литье целесообразно применять в условиях серий­ного производства при получении с каждой формы не менее 300... 500 мелких или 50...200 средних отливок в год, а также для изготов­ления отливок простой конфигурации из медных, алюминиевых и магниевых сплавов, а также из стали и чугунов.

Замена литья в песчаные формы на кокильное при достаточно большой программе выпуска снижает себестоимость отливок при­мерно на 30 % и повышает производительность труда в 4...6 раз. Затраты на организацию участка кокильного литья и участка от­жига отливок при этом окупаются за 2...3 месяца.

Центробежное литье заключается в заливке жидкого металла во вращающуюся форму (изложницу), которая вращается до окон­чания кристаллизации металла. В этом случае, как и при кокиль­ном литье, получают высокую точность размеров и аналогичный параметр шероховатости поверхности.

За счет вращения изложницы достигается большая плотность металла отливки, повышается жидкотекучесть, практически отсут­ствуют затраты на изготовление стержней. При этом способе литья значительно снижается расход металла, так как отсутствует или очень мала литниковая система. За счет центробежных сил примет си, неметаллические включения скапливаются на внутренней по­верхности отливки и могут быть удалены механической обра­боткой.

К недостаткам центробежного литья следует отнести: неточ­ность размеров и низкое качество внутренней полости отливки; трудность получения отливок из сплавов, склонных к ликвации; возможность возникновения продольных и поперечных трещин за счет высоких центробежных сил и затрудненной усадки от­ливки.

Центробежное литье применяется для изготовления труб, вту­лок, маховых и зубчатых колес, ободов и т. п. В частности, чугун­ные трубы льют 0 50...1000 мм с производительностью до 40... 50 труб в час. Заготовки льют из чугуна, углеродистых и легированных сталей, иногда из цветных сплавов (фасонные отливки из титановых сплавов). Возможно изготовление биметаллических отливок.

Литье под давлениемсостоит в том, что жидкий металл с боль­шой скоростью заполняет полость металлической пресс-формы и кристаллизуется под давлением. Литье осуществляется на порш­невых (1000...3600 заливок в час) и компрессионных (60...500 за­ливок в час) машинах.

Главные особенности процесса: металлическая форма (включая и стержни) и высокое давление на жидкий металл. В связи с этим можно получить заготовки с толщиной стенок до 0,5 мм, точностью размеров до 9 квалитета и параметром шероховатости поверхно­сти R_z = 40...10 мкм.

Главный недостаток литья под давлением — сложность и дли­тельность изготовления пресс-формы, ее высокая стоимость и не­большая стойкость, особенно при изготовлении отливок из сплавов с высокой температурой плавления (например, стальное литье). В металлических пресс-формах трудно изготовить и извлечь от­ливки со сложными полостями. Из-за неподатливости формы воз­можно появление остаточных напряжений. Это ограничивает но­менклатуру отливок и сплавов, из которых они могут быть изго­товлены.

Литьем под давлением получают сложные, близкие по конфи­гурации к готовым деталям тонкостенные заготовки массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов из цин­ковых, алюминиевых, магниевых, медных и других сплавов. Воз­можно изготовление армированных отливок. Наиболее часто литье под давлением применяют в автомобильной, авиационной, электро и радиопромышленностях, в приборостроении. По сравнению с литьем в песчаные формы масса отливки снижается в несколько раз, а затраты на изготовление одной отливки (при достаточно большой партии заготовок) — на 16...36 %. В то же время возрас­тают затраты на оборудование и его ремонт (до 70 %). Но в себе­стоимости изготовления детали эти затраты составляют около 10...15%. Поэтому экономия затрат на материал отливки и сни­жение трудоемкости намного превышают затраты на изготовление и восстановление технологической оснастки. Сравнительная ха­рактеристика способов литья дана в табл. 5.2.