Технология машиностроения Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова 2012 icon

Технология машиностроения Бийск Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова 2012



Смотрите также:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18
^

3.3 Выбор заготовки и метода ее изготовления


Правильный выбор заготовки оказывает непосредственное влияние на возможность рационального построения технологического процесса изготовления как отдельных деталей, так и машины в целом, способствует снижению удельной металлоемкости машин и уменьшению отходов.

Наиболее распространенные в машиностроении способы получения заготовок могут быть реализованы разными способами, выбор которых требует технико-экономического обоснования. В курсовом проекте способ получения заготовки определяют на основании чертежа детали, результатов анализа ее служебного назначения и технических требований, программы выпуска и величины серии, типа производства, экономичности изготовления.

Исходя из необходимости максимального приближения формы и размеров заготовки к параметрам готовой детали, следует применять прогрессивные методы и способы получения заготовок, такие как литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы, литье под давлением, штамповка в закрытых штампах, периодический прокат и др. Прогрессивные способы получения заготовок обеспечивают снижение затрат на механическую обработку и повышение качества продукции.
^

3.3.1 Выбор заготовок и его последовательность


В производственных условиях технологи заготовительного и механического цехов могут встретиться с ситуацией, когда выбор заготовки предопределен, т.е. метод изготовления заготовки определенного вида производства задан конструктором, а технолог лишь уточняет его. Вторая ситуация, когда выбор заготовки конструктор оставляет за технологом.

Первая ситуация характерна для массового, крупносерийного и серийного производств, вторая – для единичного, мелкосерийного и серийного.

Первый вариант является результатом длительного совместного труда конструктора с технологами механического и заготовительного цехов, основанным на опыте работы детали в процессе эксплуатации машины с учетом ее доработок и доводок. Это характерно для большинства ответственных деталей, определяющих работоспособность машин, например, деталей блоков цилиндров и гильз, коленчатых и распределительных валов, торсионов, шатунов, поршневых колец, лопаток и дисков турбин, вкладышей и др. Известно, что исходной заготовкой блока цилиндров из серого чугуна автомобильного двигателя в массовом производстве является отливка в землю при машинной формовке, для блока цилиндров из алюминиевого сплава – отливка, изготовленная литьем под давлением или в кокиль; заготовками для гильз цилиндров в массовом производстве служат отливки, выполненные методом центробежного литья. В последнее время применяют метод центробежного литья в облицованный кокиль (заготовки для двигателя КАМАЗа). Преимущества центробежного литья и литья в кокиль позволяют при этом свести к минимуму припуск на механическую обработку самой ответственной поверхности гильзы диаметром – «зеркала цилиндра» – до мм (рисунок 3.7а).

Следует отметить, что выбор конструктором метода изготовления заготовки для ответственных деталей часто носит дифференцированный характер.

Так, выпускной клапан двигателя (рисунок 3.7б), работающий в теплонапряженных условиях, изготавливают из жаропрочных и жаростойких аустенитных сталей 12Х18Н9Т, 45Х14Н14Н2Л, 45Х22Н4М3 и других труднодеформируемых сталей. Для повышения износостойкости детали на рабочие фаски тарели наплавляют твердые сплавы типа стеллитов, вольфрамокобальтовый сплав В3К или нихром Х20Н80, что значительно усложняет процесс изготовления заготовки.






а) б)

Рисунок 3.7 – Заготовки для гильзы цилиндра (а) и для клапана

сварной конструкции (б): 1 – место сварки; 2 – место наплавки

стеллита

Это приводит к тому, что в технологическом процессе (ТП) изготовления заготовок клапанов также применяют разные методы или комплексы методов: метод многопереходной высадки на горизонтально-ковочной машине (ГКМ), который не всегда устраивает конструкторов и технологов качеством поверхностного слоя основной поверхности – фаски тарели (см. рисунок 3.7б); метод горячего или холодного выдавливания на кривошипном горячештамповочном прессе (КГШП), превосходящий по качеству предыдущий. В последнее время применяют комбинированный метод изготовления исходных заготовок клапанов с использованием сварки трением или более качественной контактно-стыковой cварки оплавлением. Метод заключается в том, что стебель клапана изготавливают резкой холоднотянутого калиброванного проката из стали 40Х или аналогичной. Головку клапана формоизменяют в штампах для выдавливания с точностью размеров по 12-му квалитету. Далее выполняют подсборку узла «головка–стебель», осуществляют сварку по стыку. Коэффициент использования металла составляет 0,8–0,9; метод позволяет экономить дорогую сталь (стоимость жаростойкой стали почти в 10 раз выше, чем стали 40Х).

Впускные клапаны изготавливают из сталей 45ХН, 50ХН, 40Х10С2М (сильхром) и других цельными (методом горячего холодного выдавливания).

Из рассмотренного примера видно, как условия работы детали, ее материал, технические требования влияют на структуру и содержание процесса, выбор методов и оборудования.

Объем выпуска определяет применение в ТП прогрессивных методов изготовления заготовок. Например, в массовом производстве шатунов (материал  стали 40Х, 45, 18ХНМ, 40ХНМА) наряду с жесткими техническими требованиями предъявляются особые требования по прочности, которые в значительной степени определяются процессом изготовления заготовки. Обеспечить их можно включением в ТП операции штамповки на молоте или прессе. Однако массовость выпуска требует применения скоростных процессов, таких как заготовительное вальцевание на ковочных вальцах с последующим формоизменением заготовки на КГШП и чеканкой для повышения точности. Обжатие на ковочных вальцах длится 3–4 с, штамповка на прессе производительнее штамповки на молоте в 4 раза (однако стоимость пресса, как правило, выше стоимости молота).

Процесс обеспечивает заготовке предпочтительное расположение волокон материала, макроструктуру, точность размеров с допуском 0,25 мм при объемной чеканке и 0,05 мм при плоскостной, шероховатость поверхности Ra = (2,51,25) мкм, коэффициент использования металла до 0,7–0,75.

Часто для деталей массового производства разрабатывают новые процессы и специальные методы изготовления заготовок. В последнем случае, учитывая, что серийным производством выпускается 75–80 % машиностроительной продукции, выбор ТП изготовления заготовок является задачей технико-экономической, определяющей эффективность производства. В этих условиях заготовку часто выбирает технолог.

Имея чертеж исходной заготовки, чертеж детали с указанием конфигурации, размеров, материала, технические условия, объем выпуска, нормативные материалы, заготовку выбирают в следующей последовательности: процесс, метод, оборудование. Основой процесса является принятый метод изготовления заготовки. Структура процесса, его содержание определяется степенью сложности изготавливаемой заготовки и соответственно требует применения одного или нескольких методов для его выполнения.

В первую очередь рассматривают технологические возможности материала, приведенного конструктором на чертеже детали, влияние степени его легирования на обрабатываемость.

Если материал детали обладает литейными свойствами и в то же время хорошо обрабатывается давлением, то выбор процесса и метода изготовления заготовки связывают с обеспечением заданного качества детали, т.е. с техническим условием на изготовление.

В результате анализа исключают многие процессы и методы, устанавливают степень технического совершенства принятых решений, выбирают возможные варианты, уточняют их.

Для полной оценки вариантов, если располагают материалами, выполняют технико-экономический анализ, критерием которого является себестоимость. Варианты сравнивают по изменяющимся статьям затрат: стоимости материала, инструмента, технологической оснастки (штампы, пресс-формы, формы, модели и т.д.), оборудования; заработной плате; электроэнергии. Учитывают и другие статьи затрат, если они приводят к значительному изменению варианта.

Подобный расчет требует большого количества нормативных, справочных и фактических данных, поэтому затруднителен для выполнения. На практике для ориентировочных расчетов по экономике используют статистические материалы, приложения, номограммы, графические зависимости и т.п.

Так, в серийном производстве вал из стали 45 можно изготовить горячей объемной штамповкой или из горячекатаного проката диаметром 90 мм (рисунок 3.8a, б, в). Для принятия решения воспользуемся данными, приведенными в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Средняя стоимость 1 т материала в условных денежных единицах (у.е.)

Заготовки

Сталь

Цветные металлы и сплавы




45

45ХНМ

95Х18

алюминий

брон-за

ла-

тунь

медь

Отливки

в песчаные формы

400

460

2000

1700

1300

-

-




в оболочковые формы

1300

-

-

-

-

1000

-




по выплавляемым моделям

3000

-

-

-

-

-

-

Штамповки

горячештам-пованые

255

400

1250

-

1250

-

-




холодноштампованные

430

700

2650

-

-

1500

1540

Прокат

сортовый горячекатанный:

мелкий
до 19 мм


110


288


300


800


-


800


950




средний

20110 мм

95

250

1200

600

-

700

900

Расход проката на одну заготовку составляет 30 кг. Следовательно, ее стоимость будет (95/1000)30=2,85 у.е. Стоимость одной штамповки массой 25 кг равна (255/1000)25=637,5 у.е.

Таким образом, в рассматриваемом случае целесообразно использовать горячекатаную заготовку.




Рисунок 3.8 – Вал ступенчатый: а), г) готовая деталь; б) штампованная заготовка; в) заготовка из горячекатаного проката; д) заготовка,
полученная ковкой

Рассмотрим еще один пример. Для вала-шестерни, приведенного на рисунке 3.8г (материал сталь 40Х, масса детали 3,4 кг) с большими перепадами ступеней, чем на рисунке 3.8а, сопоставление вариантов по данным таблицы 3.1 дает аналогичный результат. Однако коэффициент использования материала для проката составляет 0,4, для штампованной заготовки 0,66, причем разъемный штамп для ГКМ очень дорогой и окупится только в массовом производстве. Приемлемым вариантом для серийного производства будет ковка на молоте или прессе (рисунок 3.8д) с использованием универсального инструмента (Ким = 0,58). При этом припуски на последующую механическую обработку регламентированы стандартами.

Оценка экономической эффективности технологического процесса изготовления заготовки производится на основании сравнительного анализа стоимостных и натуральных показателей, состав которых может меняться в зависимости от особенностей производства.

В курсовом проекте оценку правильности выбора заготовки производят обычно по себестоимости производства заготовок, без учета затрат на предварительную механическую обработку.

Для способов литья и обработки давлением себестоимость заготовки определяется по зависимости




(3.11)

где С – базовая стоимость 1 т заготовок, руб./т (таблицы 3.2, 3.3, 3.4, 3.5);

– коэффициент доплаты за термическую обработку и очистку заготовок, руб./т (таблица 3.6);

– масса заготовки, кг;

– коэффициент, учитывающий точностные характеристики заготовок (таблица 3.7);

– коэффициент, учитывающий серийность выпуска заготовок (таблицы 3.8, 3.9, 3.10);

– масса детали, кг (см. чертеж детали);

– стоимость 1 т отходов (стружки), руб.;

– коэффициент, учитывающий инфляцию (по отношению к ценам 1991 г.).

Масса заготовки определяется по формуле




(3.12)

где – коэффициент весовой точности (таблица 3.11).


Таблица 3.2 – Оптовая цена 1 т отливок из чугуна, руб.

Масса одной отливки, кг

Группа сложности

1

2

3

4

5

6

4,5

5,65

7,15

9

322

316

310

304

401

394

386

379

496

486

477

468

590

579

569

557

704

691

677

665

843

827

811

796

Таблица 3.3 – Оптовая цена 1 т отливок из стали, руб.

Масса одной отливки, кг

Группа сложности

1

2

3

4

5

6

14,25

18

22,5

28,25

352

346

341

335

439

431

424

417

542

533

524

515

645

634

623

613

770

756

744

732

922

906

891

876

Таблица 3.4 – Оптовая цена 1 т поковок, руб.

Масса одной поковки, кг

Группа сложности




1

2

3

4

2,825

3,575

4,5

5,65

7,15

9

11,25

398

382

368

354

342

332

321

452

432

418

403

389

376

365

506

485

468

450

435

422

409

567

544

524

504

486

472

458

Таблица 3.5 – Оптовая цена 1 т штампов, руб.

Масса одной штамповки, кг

Группа сложности




1

2

3

4

1,8

2,25

2,825

3,575

4,5

5,65

7,15

9

11,25

508

482

457

439

422

407

393

381

369

577

548

519

499

480

463

446

432

419

647

613

582

558

538

517

500

484

469

724

686

651

625

602

579

559

542

526

Таблица 3.6 – Доплаты за термообработку и очистку заготовок

Вид термообработки

, руб./т

Отжиг

Нормализация

Очистка от окалины

15

25

8

Таблица 3.7 – Коэффициент учитывающий класс точности
размеров в зависимости от способов литья

Способ литья




В песчано-глинистые формы (ПГФ), в оболочковые формы

В кокиль, центробежное литье

По выплавляемым моделям


1,165

1,27

1,67


Таблица 3.8 – Коэффициент , учитывающий серийность
выпуска заготовок – поковок массой 2,5–10 кг

Число поковок в годовом заказе, шт.




125 и менее

126–250

251–500

Свыше 501

1,5

1,25

1,1

1

Таблица 3.9 – Коэффициент , учитывающий серийность выпуска штамповок

Группа серийности

Число горячих штамповок в годовом заказе при массе одной штамповки, кг




1,6–2,5

2,5–4,0

4,0–10

10–25




5

700

и менее

650

и менее

500

и менее

400

и менее

по договорам с покупателем

4

701–1400

651–1250

501–1000

401–750

1,3

3

1401–4500

1251–4000

1001–3500

751–3000

1,15

2

4501–120000

4001–100000

3501–75000

3001–50000

1,0

1

свыше 120000

свыше 100000

свыше 75000

свыше 50000

0,9


Таблица 3.10 – Коэффициент учитывающий серийность выпуска отливок

Размер партии, шт.




Размер партии, шт.




Менее 200

201–1000

1001–4000

4001–12000

1,23

1,15

1,1

1,06

12001–20000

20001–75000

75001–200000


1,03

1,0

0,97



Таблица 3.11 – Коэффициент весовой точности

Способ производства заготовок

Коэффициент

Литье в песчано-глинистые формы

0,7

Центробежное литье

0,85

Литье под давлением

0,91

Литье в кокиль

0,8

Литье в оболочковые формы

0,9

Литье по выплавляемым моделям

0,91

Штамповка на молотах и прессах

0,8

Штамповка на горизонтально-ковочных
машинах

0,85

Свободная ковка

0,6

Прокат

0,4

Сварные заготовки

0,95


Сравнение способов производства заготовок по их себестоимости позволяет выбрать оптимальный метод и способ.

В тех случаях, когда сравниваемые варианты получения заготовок равноценны по величине приведенных затрат, выбор варианта производят по натуральным показателям, в состав которых входят: коэффициент использования металла в процентах; удельная норма расхода топлива; удельная норма расхода металла; трудоемкость занятых рабочих; коэффициент использования оборудования; коэффициент использования производственной площади и др.
^

3.3.2 Характеристика методов получения заготовок

3.3.2.1 Литье


Изготовление заготовок методами литья характеризуют данные, приведенные в таблице 3.11.

Метод литья в песчано-глинистые формы применяют для всех литейных сплавов, типов производств, заготовок любых масс, конфигураций и габаритов. В общем объеме производства отливок литьем в песчано-глинистые формы получают 80 % всех отливок и лишь 20 % отливок производят специальными методами литья. Он отличается технологической универсальностью и дешевизной. Изменяя способы формовки, материалы моделей и составы формовочных смесей, заготовки изготавливают с заданной точностью и качеством поверхностного слоя. Метод отличается большим грузопотоком формовочных и вспомогательных материалов, для него характерны большие припуски на механическую обработку, в стружку уходит от 15 до 25 % металла от массы заготовки.


Таблица 3.11  Характеристика литых заготовок

Метод получения
заготовок

Масса, т

Толщина стенки заготовки, мм, не менее

Форма

Квалитет точности

Шероховатость, мкм

Материал

Тип производства







из чугуна

из стали

из цветных металлов
















1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

^ Литье в разовые формы

Литье в песчаную смесь:

при ручной формовке по деревянным моделям или шаблонам *, в опоках, в почве



до 200



35



58



38



простая и сложная



1517



2080



чугун, сталь, сплавы цветных металлов



единичное и мелкосерийное

при машинной формовке по деревянным и металлическим моделям

до 10

35

58

38

простая и сложная

1417

520

чугун, сталь, сплавы цветных металлов

серийное

при машинной формовке по металлическим моделям со сборкой стержней в кондукторах

до 35

35

58

38

простая и сложная

15

520

чугун, сталь, сплавы цветных металлов

крупносерийное и массовое



Продолжение таблицы 3.11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Литье в оболочковые формы:

песчано-смоляные
































до 0,15





35





простая и сложная


14


1025


чугун,
сталь, цветные металлы


серийное, массовое

химически
твердеющие

до 0,2







сложная

14

2,510

чугун,
сталь, цветные металлы

серийное

тонкостенные
(1020 мм)

до 0,2







сложная

14

2,510

чугун,
сталь, цветные металлы



толстостенные
(50150 мм)

до 40









14

2,510

чугун,
сталь, цветные металлы



жидкостекольные

до 0,1







средней сложности

14

2,510

углеродистые, коррозионностойкие стали




Литье в цементные, графитовые, асбестографитовые формы **

0,0330

35

58

38

сложная

1214

2080

чугун, сталь, сплавы цветных металлов






Продолжение таблицы 3.11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Литье по выплавляемым моделям

до 0,15

0,5

0,5

0,5

сложная

1215

2,520

высоколегированные труднообрабатываеме стали

серийное и массовое

Литье по растворяемым моделям

до 0,15







сложная

1112

2,510

титан, жаропрочные стали

серийное

Литье по газифицируемым моделям

до 0,15



68



сложная

1112

2,510

любые сплавы

единичное и серийное

^ Литье в многократные формы

Литье в кокиль

0,57

5

10

3

зависит от конструкции кокиля

1215

2,540

сплавы цветных металлов, сталь, чугун

серийное и массовое

Литье под давлением

до 0,1





1

зависит от конструкции пресс-формы

1214

0,6330

сплавы цветных металлов

крупносерийное и массовое

Центробежное литье

0,011,0

58

58

58

тела вращения

14

1040

чугун, сталь, сплавы цветных металлов

серийное и массовое



Продолжение таблицы 3.11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Штамповка:

жидких сплавов


с кристаллизацией под поршневым давлением


до 0,3


до 0,01


0,5


0,51


0,5


0,51


0,5


0,51


сложная


сложная


12


12


3,212,5


1020


сплавы цветных металлов

чугун, сплавы цветных металлов


серийное
и массовое

Литье под низким давлением

до 0,03

2

2

2

сложная

12

1020

сплавы цветных металлов




Примечания

* Масса таких заготовок не ограничена

** Стойкость форм  несколько десятков отливок



^ Литьем в оболочковые формы получают заготовки сложной конфигурации: коленчатые и кулачковые валы, ребристые цилиндры, крыльчатки. Часть поверхностей заготовки не требует механической обработки. Ко времени затвердевания металла форма легко разрушается, не препятствуя усадке металла, остаточные напряжения в отливке незначительные. Расход формовочных материалов меньше в 10–20 раз, чем при литье в песчано-глинистые формы. В то же время работа с горячими металлическими моделями представляет определенную сложность, является дорогой.

^ Литье по выплавляемым моделям – метод для изготовления сложных и точных заготовок из труднодеформируемых и труднообрабатываемых сплавов с высокой температурой плавления. Он отличается самым длительным и трудоемким ТП среди всех методов литья.

Экономичность метода достигается правильно выбранной номенклатурой отливок, особенно когда требования шероховатости поверхности и точности размеров могут быть обеспечены в литом состоянии и требуется механическая обработка только сопрягаемых поверхностей.

Применение заготовок, полученных литьем по выплавляемым моделям вместо штампованных, снижает расход металла до 55–75 %, трудоемкость механической обработки до 60 % и себестоимость детали на 20 %.

^ Литье в металлические формы (кокиль) исключает трудоемкие операции формовки, сборки и выбивки форм, легче автоматизируется. Сущность процесса заключается в многократном применении металлической формы. Стойкость кокилей зависит от технологических факторов: температуры заливки металла, материала кокиля, размеров, массы и конфигурации отливки. Особенностью формирования отливок в кокиль является большая интенсивность теплообмена между отливкой и формой. Быстрое охлаждение расплава снижает жидкотекучесть, поэтому толщина стенок при литье в кокиль значительная. Для алюминиевых и магниевых сплавов она составляет от 3 до 4 мм, для чугуна и стали от 8 до 10 мм. Металл отливки имеет мелкозернистую структуру, его физико-механические свойства на 15–30 % выше, чем у песчаных отливок. Метод полностью устраняет пригар, увеличивает выход годных заготовок до 75–95 %.

^ Литье под давлением обеспечивает получение заготовок, близких по форме к готовой детали, с высокой точностью и шероховатостью поверхности. Этим методом производят сложные тонкостенные отливки из цветных сплавов (алюминия, магния, цинка, меди). Сочетание в процессе литья металлической формы и давления на жидкий металл позволяет получать отливки с прочностью на 15–20 % большей, чем при литье в песчано-глинистые формы. Механической обработке подвергают только посадочные места и поверхности сопряжения.

Основными преимуществами метода являются получение отливок с толщиной стенок менее 1 мм и возможность автоматизации процесса. Метод требует применения очень дорогих пресс-форм, изготавливаемых по шестому-восьмому квалитетам.

^ Центробежное литье характеризуется утяжелением частиц под действием центробежных сил при заливке и затвердевании. Это улучшает питание отливок, однако химическая неоднородность (ликвация) у таких заготовок выражена более ярко, чем у других. Этим методом получают заготовки типа тел вращения: втулки, гильзы цилиндров, диски, трубы из чугуна, сталей, твердых сплавов и цветных металлов.

Для литья из титановых сплавов это пока единственный метод получения качественных заготовок. Преимуществом метода является относительно высокая плотность отливок вследствие малого количества межкристаллических пустот, недостатками – сложность получения качественных отливок из ликвируемых сплавов, засорение отливок ликвидами и неметаллическими включениями, что увеличивает припуски на механическую обработку поверхностей на 25 %.

^ Штамповка жидкого металла – разновидность литья под давлением. Сущность метода состоит в том, что жидкий металл подается в металлическую форму, где под давлением пуансона происходит его уплотнение.

Конструкция форм аналогична закрытым штампам для горячей объемной штамповки. Формы изготавливают из стали марки ХВГ или ЗХВ8.

Метод позволяет получать тонкостенные заготовки корпусов, фланцев, тройников из цветных и черных металлов. При этом благодаря кристаллизации в условиях всестороннего сжатия, устраняются газовые и усадочные раковины. Коэффициент использования металла достигает 0, 9–0,93.




страница6/18
Дата конвертации23.10.2013
Размер2,02 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы