7.1. Технологічність конструкції деталей машин

Можливість застосування найбільш прогресивних технологічних методів виготовлення деталей машин багато в чому визначається їх конструктивним оформленням. Тому при розробці конструктивних форм деталей необхідно враховувати вимоги технології їх найбільш економічної обробки. Дотримання цих вимог зменшує виробничі витрати, скорочує цикл виробництва, підвищує продуктивність праці і знижує собівартість виготовлених деталей. Конструкція деталі повинна бути простою по конфігурації, складатися з простих геометричних форм, що дають можливість застосування найбільш прогресивних і високопродуктивних технологічних процесів її подальшої обробки. Необхідно передбачати надійні технологічні бази та забезпечувати необхідну жорсткість деталі. Задана точність і шорсткість поверхонь деталі повинні бути обгрунтовані її службовим призначенням. Необгрунтовано завищені вимоги по точності і шорсткості обумовлюють необхідність вводити додаткові технологічні операції, що збільшує трудомісткість і тривалість процесу обробки і, як наслідок, підвищують собівартість деталі. Тому конструкцію деталі на технологічність слід відпрацьовувати комплексно, враховуючи вплив на технологічність вихідної заготовки, виду обробки в технологічному процесі виготовлення, технологічності складальної одиниці, в яку ця деталь входить як складова частина. При необхідності конструкція деталей повинна бути такою, щоб їх можна було виготовляти на верстатах з ЧПУ, із застосуванням типових, енергозберігаючих та маловідходних технологій, швидкозмінних і групових наладок, а також в умовах гнучкої виробничої системи. Стандартизація та уніфікація деталей і їх окремих конструктивних елементів (різьблень, модулів зубчастих коліс, діаметрів і довжин кріпильних виробів, шпонкових з'єднань та ін) збільшує серійність випуску, уніфікує верстатні наладки і тим самим зменшує трудомісткість процесу виробництва і собівартість виготовлення деталей. Крім того, застосування стандартних і уніфікованих деталей скорочує номенклатуру запасних частин і дає можливість використовувати одні й ті ж деталі і складальні одиниці для різних типорозмірів машин. Наприклад, для різних типів і розмірів верстатів нерідко застосовують однакові деталі - підшипники, сальники, ущільнення, деталі коробок швидкостей і подач, кріпильні деталі і т.п. Збільшення кількості уніфікованих елементів деталей дозволяє скоротити кількість різального, вимірювального та інших видів інструментів.

Вибір оптимальної форми деталі в значній мірі залежить від її ролі в машині і умов експлуатації. Оцінка технологічності конструктивного виконання даної деталі може бути заснована на порівнянні трудомісткості виготовлення різних конструктивних варіантів цієї деталі.

Допустимі відхилення розмірів деталей, їх геометричної форми, взаємного розташування поверхонь, параметрів шорсткості поверхонь встановлюють у відповідності з вимогами до надійності і довговічності машин в умовах експлуатації. Зміна цих відхилень істотно впливає на трудомісткість і технологічну собівартість.

Вимоги до конструкції вихідних заготовок. Технологічні вимоги до конструкції деталі в чому обумовлені технологією виробництва заготовок і їх подальшою обробкою. Вид заготовки в значній мірі визначає технологічний процес її механічної обробки на металорізальних верстатах.

У великосерійному і масовому виробництві застосування спеціального профільного та періодичного прокату для отримання заготовок дозволяє скоротити або взагалі виключити їх подальшу механічну обробку різанням. Спеціальний профільний прокат як напівфабрикат зменшує трудомісткість процесу гарячого штампування заготовок. Заготовки профільного перетину, що не потребують подальшої обробки, отримують на машинобудівних підприємствах, як правило, методом холодного волочіння з сортового прокату.

Основною вимогою, що пред'являються до форми заготовок для дрібних деталей, є можливість їх отримання такими високопродуктивними методами, як штампуванням на кувальних машинах, литтям під тиском з одночасною формовкой і заливкою декількох заготовок, виготовленням деталей і заготовок із стрічки на автоматизованих пресах, а також формоутворенням з пруткового матеріалу методом холодної висадки або висадки з індукційним нагрівом.

Конструкції заготовок для деталей, що представляють собою тіла обертання, повинна передбачати невелика кількість відпрацьовуються поверхонь, що сполучаються з іншими деталями.

При отриманні заготовок методом вільного кування бажано, щоб вони мали просту симетричну форму. Слід уникати конусоподібних форм , перехрещень циліндричних елементів між собою , а також бобишок і виступів на основних поверхнях поковки. Деталі складної конфігурації доцільно замінювати зварними конструкціями, що складаються з простих елементів

Геометрична форма штампованих заготовок повинна забезпечувати можливість їх вільного витягання з штампу. Виїмки та поглиблення в заготовках можна виконувати тільки в напрямку руху штампів. Неприпустимі вузькі і довгі виступи, розташовані в площині рознімання штампа або перпендикулярно до неї, так як вони утворюють в штампі труднозаполняемие порожнини і призводять до появи шлюбу заготовок. Бічні поверхні заготовки повинні мати штампувальні ухили.

Симетрична форма заготовки відносно площини роз'єму і симетричні ухили виступаючих стінок спрощують виготовлення штампів і процес штампування, знижують витрату металу на напуски і шлюб, пов'язаний зі зміщенням штампів. При цьому поліпшується заповнення штампа, зменшується його зношування, підвищується продуктивність штампування. Раціональним є розташування штампуються заготовки в одній половині штампа, що значно знижує його вартість і підвищує точність поковки.

Виступи і ребра не можна розташовувати близько один до одного, оскільки це утрудняє протягом металу і заповнення порожнини штампа. Доцільно напрямок волокон в металі заготовки поєднувати з її поздовжньою віссю. Небажано перерізання волокон або вигин їх під малим радіусом. Конструкція заготовки повинна, як правило, допускати роз'єм штампів по горизонтальній площині. Це спрощує конструкцію кувального і обрізного штампів. Тому роз'єм штампа з якої-небудь іншої поверхні небажаний. У площині роз'єму повинні розташовуватися найбільші габаритні розміри заготовки, в цьому випадку забезпечується найкраще заповнення порожнин штампів металом.

Тонкі стінки штампуються заготовки зменшують стійкість штампів внаслідок швидкого охолодження металу і підвищення опору його течією, що сприяє появі шлюбу з причини незаповнення порожнини штампу.

Раціональним є однобічне розташування ребер бобишок та інших виступаючих елементівв, що дозволяє підвищити точність заготовок, знизити витрату металу, спростити подальшу обробку. Небажано, щоб заготівля мала змінну по довжині товщину ребер.

Заготовки або деталі, одержувані методом холодної висадки з каліброваних прутків, повинні мати по можливості просту форму при мінімальних обсязі і діаметрі. Для підвищення стійкості холодновисадочних штампів допуски на розміри висаджуються елементів не слід зменшувати до мінімальних. Не рекомендується робити різкими переходи від однієї поверхні до іншої. Ці переходи повинні здійснюватися з заокругленнями радіусом не менше 0,5 мм. При холодного листового штампування використовують листи, смуги та стрічки. Стрічку застосовують для отримання деталей товщиною 2,0 ... 2,5 мм, смугу - товщиною до 10 мм. Листи використовують порівняно великих розмірів.

Для економії металу при листовому штампуванні складається карта розкрою, при цьому конфігурація заготовок і їх розташування на поверхні аркуша повинні обумовлювати мінімальні відходи металу при штампуванні.

Мінімальна ширина заготовки з м'яких низьковуглецевих сталей повинна бути приблизно в 1,5 рази більше товщини листа або смуги. Мінімальні розміри отворів, що пробиваються в залежності від їх форми (круглі, квадратні, овальні) складають близько 0,7 ... 1,2 товщини листа. Відстань між отвором і краєм заготовки, а також між суміжними отворами приймають для заготовок з м'якої сталі рівним 0,7 ... 1,5 товщини листа. Конструкції литих заготовок залежать від способу лиття, властивостей ливарного сплаву, необхідної точності, програми випуску та інших факторів. У багатьох випадках виливки є найбільш складними і дорогими у виконанні заготовками деталей машин.

При конструюванні відливок необхідно вибрати спосіб лиття, визначити положення виливка у формі, вибрати площину роз'єму, призначити товщину стінок виливка. Конструкції литих заготовок корпусних деталей повинні відповідати вимогам машинного формування: товщина стінок в різних перетинах не повинна мати різких переходів.

При конструюванні виливків слід спрощувати їх конфігурацію. У цьому випадку можна знизити собівартість виготовлення моделей, стрижневих ящиків, кокілів, прес-форм. Конфігурація виливки повинна забезпечити можливість вільного вилучення моделі з форми і стрижнів із стрижневих ящиків. З цією метою необхідно передбачати формувальні ухили для вертикальних поверхонь виливки, вибираючи їх величину в залежності від висоти поверхні. Конфігурація виливки повинна забезпечувати можливість видалення прибутків, літників і випоровши і вибивки стрижнів.

На кресленнях відливок слід вказувати базові поверхні, якими будуть користуватися при подальшій обробці заготовок на металорізальних верстатах. Базові поверхні повинні утворюватися моделлю і знаходитися в одній опоке для виключення впливу зсувів опок та стрижнів на їх точність. При призначенні товщини стінок виливків необхідно враховувати розмір і масу виливка, застосовуваний для лиття сплав і метод лиття. Необхідно враховувати також положення поверхонь при заливці, так як на верхніх горизонтальних поверхнях виливки можуть виникати газові раковини. Тому найбільш відповідальні поверхні заготовок повинні займати у формі нижнє положення. Слід звертати увагу на безперешкодне заповнення форми рідким металом: форма заповнюється безперервним струменем і до повної чаші.

При конструюванні відливки слід враховувати усадку металу, гальмування усадки, створюване ливарних форм і стрижнів, а також гальмування, яке виникає внаслідок нерівномірності охолодження різних частин виливки. Гальмування усадки викликає утворення залишкових напружень у виливках, що є причиною викривлення виливків і появи тріщин. Тому необхідно передбачати по можливості рівномірне охолодження виливка і допускати її вільну усадку. Внутрішні стінки виливки повинні бути приблизно на 20% тонше зовнішніх. В одній відливання рекомендується передбачати перехідні поверхні одного радіуса. Різкі зміни товщини стінки і гострі кути в литві неприпустимі. Це особливо важливо у виливках з нержавіючих і жароміцних сталей. Переходи від одного перерізу до другого повинні бути плавними. Лиття в піщано-глинисті форми застосовують практично для всіх ливарних сплавів, типів виробництв, заготовок будь-яких мас, конфігурацій і габаритів. Цей метод відрізняється технологічної універсальністю і дешевизною. У загальному обсязі виробництва виливків литтям в піщано-глинисті форми отримують до 80% всього обсягу лиття. Змінюючи способи формування, матеріали моделей і склади формувальних сумішей можна отримувати заготовки із заданою точністю і якістю поверхневого шару. Метод відрізняється порівняно великими припусками на механічну обробку, в стружку витрачається до 25% металу від маси заготовки. При лиття в кокіль мінімальна товщина стінок виливки залежить від виду сплаву і площі поверхні стінки. Для чавуну і сталі вона становить відповідно 6 ... 7 мм і 8 мм при площі поверхні стінки до 125 см 2, для бронзи, силумінів і магнієвих сплавів - 3 ... 6 мм при площі поверхні стінки до 30 см 2. Товщина внутрішніх стінок і ребер повинна бути дорівнює 0,6 ... 0,7 товщини зовнішніх стінок. Товщина стінок повинна бути по можливості однаковою, а конструкції виливки - зручною для її витягання з форми. Литтям по виплавлюваних моделях можна отримати заготовки порівняно невеликої маси досить складної конфігурації з високою якістю поверхні. Найменша товщина стінок виливка становить при цьому 1 ... 2 мм. Через невеликий жорсткості керамічної оболонки слід уникати у заготівлі поверхонь великої протяжності. Тонкі стінки можна отримати тільки при певній площі їх поверхні (не більше 75х75 мм), так як в противному випадку відбувається жолоблення стінок форми. Бажано витримувати однакову товщину стінок виливка. Відлиття можуть бути отримані без ливарних ухилів. Слід уникати в литві глухих отворів. Цим методом можна одержувати виливки з труднодеформіруємих і важкооброблюваних сплавів з високою температурою плавлення. Одержувані виливки найчастіше потребують механічній обробці тільки сполучених поверхонь. Застосування заготовок, отриманих литтям по виплавлюваних моделях замість штампованих, знижує витрату металу до 55 ... 75%, трудомісткість механічної обробки до 60% і собівартість деталі на 20%. Литтям в оболонкові форми одержують заготовки складної конфігурації - колінчасті і кулачкові вали, ребристі циліндри, крильчатки. До часу затвердіння металу форма легко руйнується, не перешкоджаючи усадці металу, внаслідок чого залишкові напруги в відливання невеликі. Витрата формувальних матеріалів менше в 10 ... 20 разів, ніж при литті в піщано-глинисті форми. При лиття в оболонкові форми повинна бути одна площина роз'єму. Мінімальна товщина стінок становить 2,0 ... 2,5 мм. У той же час робота з гарячими металевими моделями представляє певну складність, формувальні матеріали достатньо дорогі. Литтям під тиском отримують заготовки, близькі за формою до готової деталі, з високою точністю і шорсткістю поверхні. Найчастіше цим методом одержують складні тонкостінні виливки з кольорових сплавів (алюмінію, міді, магнію). Механічній обробці піддаються, як правило, тільки посадочні місця і поверхні сполучення. Основними перевагами методу є отримання виливків з товщиною стінок до 1 мм і можливістю автоматизації процесу. Метод вимагає застосування досить складних і дорогих прес-форм, виготовлених за 6 ... 8-му квалітетами. Відцентровим литтям одержують заготовки типу тіл обертання - втулки, гільзи циліндрів, диски, труби з чавуну, сталей та інших металів і сплавів. Для виготовлення великих і складних заготовок деталей відповідальних машин застосовують різні комбіновані методи. Такі заготовки поділяють на окремі прості елементи, які отримують відливанням, куванням, штампуванням або іншими методами, потім обробляють поверхні, що сполучаються і зварюють в одну велику і складну заготовку. Цим методом виготовляють, наприклад, станини великих пресів і верстатів, корпуси парових турбін і інших складних по конструкції корпусних деталей. Вимоги до механічної обробки різанням. Для забезпечення технологічності деталей, виготовлення яких передбачає обробку різанням, необхідно:

- Передбачати можливість зручного і надійного закріплення заготовки на верстаті; підвищувати жорсткість заготовки, що зменшує її деформацію від сил різання і закріплення, дозволяє збільшувати режими обробки і одночасно використовувати декілька ріжучих інструментів шляхом суміщення технологічних переходів в процесі обробки.

- Максимально використовувати уніфіковані елементи форми деталі (різьблення, канавки, модулі, розміри шпонкових пазів, шліців і т.д.) так як уніфікація елементів деталей і їх розмірів створює передумови для уніфікації ріжучого і вимірювального інструменту, а також необхідного інструменту при їх технічному обслуговуванні та ремонті.

Вибір вимірювальних баз і система простановки розмірів повинні забезпечувати найбільші зручності, надійність і продуктивність контролю, можливість застосування простих по влаштуванню контрольно-вимірювальних інструментів та пристроїв, а також перевірки декількох розмірів деталі при одній її установці. Проставлення розмірів повинна бути ув'язана з послідовністю виконання та змістом технологічних операцій. Неприпустима простановка розмірів, перевірка яких пов'язана з виконанням підрахунків і непрямих методів контролю.

Отвори на деталях по можливості передбачають наскрізні, так як обробляти їх значно легше, ніж глухі. Конструкція глухих отворів повинна бути ув'язана з конструкцією застосовуваного різального інструменту (наприклад, зенкера, розгортки), що має конічну огорожну частина і утворює біля дна отвори перехідну поверхню.

Плоскі поверхні повинні мати конструкцію, яка забезпечувала б рівномірний і ненаголошений з'їм стружки. Ширину поверхні необхідно пов'язувати з урахуванням нормального ряду діаметрів торцевих або довжин циліндричних фрез і передбачати обробку поверхонь на прохід. Не слід обробляти внутрішні поверхні корпусних деталей. Оброблювані поверхні бажано розташовувати вище примикають елементів (ребер, виступів), що полегшує обробку на прохід. Пази і гнізда повинні допускати обробку на прохід. Глибину і ширину пазів вибирають відповідно до нормальними розмірами пазових фрез. Переважні пази, які можна обробляти дисковими, а не кінцевими фрезами.

Наведені правила і рекомендації щодо раціонального вибору конструктивних рішень деталей машин носять загальний характер. Для деталей, оброблюваних на верстатах з програмним керуванням, агрегатних верстатах та автоматичних лініях, існують додаткові рекомендації, що враховують особливості цих верстатів. При остаточному виборі конструкції деталі конструктор спільно з технологом повинні враховувати особливості різних методів обробки і конкретні можливості виробництва.

Вимоги до технологічності конструкції деталі згідно ГОСТ 14.204-73 наступні:

• конструкція деталі повинна складатися зі стандартних і уніфікованих конструктивних елементів або бути стандартною в цілому;

• деталі повинні виготовлятися з стандартних і уніфікованих заготовок або заготовок , отриманих раціональним способом;

• розміри і поверхні деталі повинні мати відповідно оптимальні ступінь точності і шорсткість ;

• фізико -хімічні та механічні властивості матеріалу , жорсткість деталі , її форма і розміри повинні відповідати вимогам технології виготовлення;

• показники базової поверхні (точність , шорсткість) деталі повинні забезпечувати точність установки , обробки і контролю;

• конструкція деталі повинна забезпечувати можливість застосування типових і стандартних технологічних процесів її виготовлення.

Аналіз технологічності проводиться, як правило, в два етапи: якісний аналіз і кількісний аналіз.

Якісна оцінка технологічності заснована на інженерно-візуальних методах оцінки і проводиться по окремих конструктивних і технологічних ознаках для досягння високого рівня технологічності. Вона, як правило, передує кількісній оцінці, але цілком сумісна з нею на всіх стадіях проектування. Якісній оцінці можуть підлягати один варіант виконання деталі або сукупність декількох варіантів виконань. Якісна оцінка одного конструктивного виконання деталі («добре-погано», «допустимо-неприпустимо», «краще-гірше» і т.д.) дається на підставі аналізу відповідності її основним вимогам до виробничої, експлуатаційної та ремонтної технологічності.

При порівнянні варіантів конструктивних виконань деталі в процесі проектування якісна оцінка часто дозволяє вибрати кращий варіант виконання або встановити доцільність визначення чисельних значень показників технологічності всіх порівнюваних варіантів.

Так, деталі типу валів визнаються технологічними, якщо вони відповідають таким вимогам:

- можливість максимального наближення форми і розмірів заготовки до розмірів і форми деталі;

- можливість вести обробку прохідними різцями;

- зменшення діаметрів поверхонь від середини до торців валу або від одного торця до іншого;

- можливість заміни закритих шпонкових пазів відкритими пазами;

- жорсткість вала забезпечує досягнення необхідної точності при обробці (l: d <10 ... 12).

Зубчасті колеса ввважаються технологічними, якщо вони мають:

- центральний отвір простої форми;

- просту конфігурацію зовнішнього контуру (найбільш технологічнимі є зубчасті колеса простої форми без виступаючих маточин);

-маточини з одного боку, що дозволяє вести обробку на зубофрезерних верстатах по дві деталі;

- симетрично розташовану перемичку між вінцем і маточиною, що зменшує жолоблення деталі при термообробці;

- можливість штампування фігурної перемички між вінцем і маточиною;

- достатню відстань між вінцями для обробки на зубофрезерних верстатах (для двухвенцових зубчастих коліс).

Для всіх класів деталей визнаються нетехнологічними наступнимі елементи:

- глибокі отвори (при відношенні l: d> 5);

- отвори, розташовані під кутом до осі або площини;

- глухі отвори з різзю;

- закриті з одного або двох боків пази.

Кількісна оцінка технологічності заснована на інженерно-розрахункових методах.

Коефіцієнт точності обробки:

(8.1)

де IT_ср – середня точність виконання розмірів деталі;

n – загальна кількість розмірів деталі, що підлягають обробці;

n_i – кількість розмірів деталі, які обробляються за Т_i квалітетом точності;

Т_i – номер квалитету точності.

Коефіцієнт шорсткості обробки

(8.2)

де Ra_ср - середнє значення параметру шорсткості оброблених поверхонь;

n – загальна кількість оброблюваних поверхонь;

Ra_i – значення параметру шорсткості, зазначене на кресленні;

n_i – кількість поверхонь, які мають шорсткість Ra_i.

Коефіцієнт використання матеріалу

(8.3)

де М_дет - маса готової деталі (кг); М_заг - норма витрати матеріалу на заготовку (маса заготовки, кг).

Коефіцієнт застосування стандартного інструменту

(8.4)

де Q_c – кількість поверхонь, які обробляються стандартним інструментом;

Q_о – загальна кількість оброблених механічним способом поверхонь.

За отриманими коефіцієнтами визначається рівень технологічності конструкції деталей у порівнянні з базовою конструкцією. Рівень технологічності повинен перевищувати одиницю.

.