Назначение и конструкция детали

В процессе проетирования студент должен ознакомиться с конструкцией детали, ее назначением и условиями работы в узле или механизме. Все эти вопросы должны быть изложены в соответствующем разделе расчетно—пояснительной записки.

Для технически грамотного и обоснованного изложения этого раздела необходимо изучить чертежи общих видов узлов и механизмов, дать описание назчения самой детали, основных ее поверхностей и влияния их взаимного расположения, точности и чистоты обработки на качество работы механизма, для которого изготовляется деталь. Если назначение детали неизвесто, то следует описать его по своему соображению, о чем сделать соответствующую оговорку. Говоря о поверхностях, необходитмо присваивать каждой из них буквенные обозначения, например плоскость А или торец Б. Эти же обозначения должны быть нанесены на соответствующие поверхности на чертеже. Далее следует определить отклонения на размеры поверхности, отсутствующие на чертеже (на свободные размеры, неуказанные отклонения формы и расположения) , для последующей записи их в технологические карты.

Из описания назначения и конструкции детали должно быть ясно, какие поверхности и размеры имеют основное, решающее значение для служебного назначения детали и какие - второстепенные.

В этом же разделе следует привести также данные о материале детали: по химическому составу, механическим свойствам до и после термической обработки. Эти данные сводятся в таблицы (табл. 1 и 2).

Кроме того, необходимо высказать свои соображения относительно правильности выбора материала для данных условий работы детали в узле и целесообразности его замены другими мар- ками и какими именно.

Анализ технологичности конструкции детали

В процессе курсового проектирвания, так же как и в производ- ственных условиях, любая контструкция (машина, узел, деталь) должна быть самым тщательным образом проанализирована. Цель такого анализа - выявление недостатков конструкции по сведении- ям, содержащимся в чертежах и технических требованиях, а также возможное улучшение технологичности рассматриваемой конструкции.

Технологический коптроль чертежей сводится к тщательному их изучению. Рабочие чертежи обрабатываемых деталей должны содержать все необходимые сведения, дающие полное представление о детали, т. е. все проекции, разрезы и сечения, совершенно четко и однозначно объясняющие ее конфигурацию и

Возможные способы получения заготовки. На чертеже должны быть указаны все размеры с необходимыми допусками, классы читотыс обрабатываемых поверхностей, допускаемые отклонения от правильных геометрических форм, а также взаимного положения поверхностей. Чертеж должен содержать все необходимые сведения о материале детали, термической обработке, применяемых защитных и декоративных покрытиях, весе детали и т. в. Таким образом, технологический контроль - важная стадия проектирования технологических процессов и во многих случаях способствует выяснению и уточнению приведенных выше факторов.

Технологический анализ конструкции обеспечивает улучшение технико-экономических показателей разрабатываемого технологического процесса. Поэтому технологический анализ - один из важнейших этапов технологической разработки, в том числе и курсового проектирования.

Основные задачи, решаемые при анализе технологичности конструкции обрабатываемой детали, сводятся к возможному уменьшению трудоемкости в металлоемкости, возможности обработки детали высокопроизводительными методами. Таким образом, улучшение технологичности конструкции позволяет снизить себестоимость ее изготовления без ущерба для служебного назначения.

Обычно в качестве задания на курсовое проектирование студенту выдается рабочпй чертеж детали заводской разработки, в котором учтены технологические требования. Однако при анализе почти любого чертежа могут быть выявлены нетехнологичные элементы. При этом в ряде случаев в конструкцию могут быть внесены целесообразные изменения.

Методически вопросом технологичности конструкции надлежит заниматься на нротяжении всего периода работы над курсовым проектом, так как ряд соображений возникает непосредственно при разработке технологического процесса, выборе заготовки, проектировании оснастки и т. д. Тем не менее в значительной мере эта работа может быть выполнена на основании изучения рабочих чертежей. Окончательно оформить этот раздел расчетно-пояснительной записки следует после разработки технологического процесса.

Чтобы избежать незамеченных недостатков в конструкции, анализ технологичности целесообразно проводить в определенной последовательности.

1. На основании изучения условий работы конструкций, а также предложенного в задании масштаба производства проанализировать возможность ее упрощения, замены сварной, армированной или сборной конструкцией, а также возможность и целесообразность замены материала.

2. Установить возможность применения высокопроизводительных методов обработки.

З. Определить целесообразность назначения протяженности и раз- меров обрабатываемых поверхностей, труднодоступные для обработки места.

4. Определить технологическую увязку размеров, оговоренных допусками, классы чистоты, необходимость дополнительных технологических операций для получения высокой точности и чистоты обработанных поверхностей.

5. Увязать указанные на чертежах допускаемые отклонения раз- меров, классы чистоты и пространственные отклонения по геометрической форме и взаимному расположению поверхностей с геометрическими погрешностями станков.

6. Определить возможность непосредственного измерения задан- ных на чертеже размеров.

7. Определить поверхности, которые могут быть использованы при базировании, взможность введения искусственных баз.

8. Определить необходимость дополнительных технологических операций, вызванных специфическими требованиями (например, допустимыми отклонениями в весе детали), в возможность изменения этих требований.

9. Проанализировать возможность выбора рационального метода получения заготовки, учитывая экономические факторы.

10. Предусмотреть в конструкциях деталей, подвергающихся тер- мической обработке, конструктивные элементы, уменьшающие коробление деталей в процессе нагрева и охлаждения, и определить, правильно ли выбраны материалы с учетом термической обработки [1, 2].

С целью упрощения анализа технологичности можно дать некото- рые частные рекомендации для некоторых классификационных групп [1, 2] деталей.

Для корпусных деталей определяют:

а) допускает ли конструкция обработку плоскостей на проход и что мешает такому виду обработки?

б) можно ли обрабатывать отверстия одновременно на многошпиндельных станках с учетом расстояний между осями этих отверстий?

в) позволяет ли форма отверстий растачивать их на проход с одной или двух сторон?

г) есть ли свободный доступ инструмента к обрабатываемым поверхностям?

д) нужна ли подрезка торцов ступиц с внутренних сторон отливки и можно ли ее устранить?

е) есть ли глухие отверстия и можно ли заменить их сквозными?

ж) имеются ли обрабатываемые плоскости, расположенные под тупыми и острыми углами, и можно ли заменинть их плоскостями, расположенными параллельно или перпендикулярно друг к другу?

з) имеются ли отверстия, расположенные не под прямым углом к плоскости входа и выхода, и возможно ли изменение этих элементов?

и) достаточна ли жесткость детали, не ограничит ли она режимы резания?

к) имеются ли в конструкции детали достаточные по размерам и расстоянию базовые поверхности, если нет, то каким образом сле- дует выбрать вспомогательньне базы?

л) нет ли в конструкции внутренней резьбы большого диаметра и возможно ли заменить ее другими конструктивными элементами?

м) насколько прост способ получения заготовки (отливки), пра- вильно ли выбраны элементы конструкции, обусловливающие получение заготовки?

Для валов указывают:

а) можно ли обрабатывать поверхности проходными резцами

б) убывают ли к концам диаметральные размеры шеек вала?

в) можно ли уменьшить диамтры больших фланцев или буртов или исключить их вообще и как это повлияет на коэффициент использования металла?

г) можно ли заменить закрытые шпоночные канавки откры- тыми, которые обрабатываются гораздо производительнее дисковыми фрезами?

л) имеют ли поперечные канавки форму и размеры, пригодные для обработки на гидрокопировальных станках?

е) допускает ли жесткость вала получение высокой точности обработки (жесткость вала считается недостаточной, если для получения точности 2 – 3-го классов соотношение его длины к диаметру l : d > 10 – 12; для валов, изготовляемых по более низким классам точности, это отношение может быть равно 15; при многорезцовой обработке это отношение следует уменьшить до 10)?

Следует помнить, что технология обработки гладких валов в значительной мере отличается от технологии изготовленияо ступенчатых валов простотой и экономичностью, поэтому необходимо проанализировать возможность замены ступенчатого вала гладким.

Зубчатые колеса — массовые детали машиностроения, поэтому вопросы технологичности приобретают для них особенно важное значение. При анализе технологичности конструкции зубчатых колес следует определить возможность высокопроизводительных методов формообразования зубчатого венца с применением пластического деформирования в горячем и холодном состоянии. Конструкция зубчатого колеса должна характеризоваться следующими признаками:

а) простой формой центрального отверстия, так как сложные отверстия значительно усложняют обработку, вызывая необходимость применения револьверных станков в полуавтоматов;

б) простой конфигурацией наружного контура зубчатого колеса (так как наиболее технологичными являются зубчатые колеса плоской формы без выступающих ступиц);

в) ступицами, расположенными с одной стороны, так как в противном случае обработка по одной детали на зубофрезерных станках вызывает увеличение количества этих станков на 25—30%;

г) симметричным расположением перемычки между ступицей и венцом для зубчатых колес, подлежащих термической обработке как по отношению к венцу, так и по отношению к ступице; нарушение этого условия приводит к значительным односторонним искажениям при термической обработке;

д) правильной формой и размерами канавок для выхода инструментов;

е) возможностью многорезцовой обработки в зависимости от соотношения диаметров венцов и расстояний между ними.

Подобным образом проводится анализ технолог и для других деталей, имеющих аналогичные элементы конструкции. Указанные выше замечания дают представление о направлениях в анализе технологичности.

После проведенного анализа технологичности все предложения по изменению конструкции детали должны быть систематизированы в расчетно-пояснительной записке, ряд этих предложений по согласованию с руководителем проекта может быть внесен в конструкцию детали.

Конечная цель технологического анализа конструкции – оценка предложений по ее изменению, поэтому необходимо произвести все расчеты, связанные как с экономией металла, так и с изменением варианта технологического процесса (см. раздел «Определение затрат по статьям себестоимости»).

Пример 1. Деталь – корпус ступицы (Рис. 1). Деталь изготовляется из ковкого чугуна КЧ 37‑12 литьем, поэтому конфигурация наружного контура и внутренних поверхностей не вызывает значительных трудностей при получении заготовки. Тем не менее даже при этом формовка должна производиться с применением стержней, формирующих как внутренние полости, так и карманы, и ребра с боковых сторон, особенно нетехнологично литое отверстие шириной 10 мм. Эти элементы определяются конструктивными соображениями и изменить их, по-видимому, затруднительно.

То же самое относится и к внутренним обрабатываемым поверхностям ( 120_–0,05 и  150_–0,04). Эти отверстия должны быть выполнены в пределах указанных отклонений и концентричны с точностью до 0,04 мм. Единственным способом достижения указанной точности является окончательная расточка отверстий на алмазно-расточных станках. При этом в какой-то мере нарушается точность их взаимного расположения относительно наружного диаметра ( 165^–0,017_–0,045), так как именно этот диаметр будет использован в качестве установочной базы. Этим и обусловливается второй пункт технических требований относительно необходимости окончательной обработки конструктивных баз после запрессовки колец подшипников.

Нетехнологичны в данной конструкции цековки  30 мм, так как здесь не предусмотрен свободный доступ инструмента. Поэтому необходимо применять инструменты с удлинителями. Кроме того, наружным диаметром эти цековки выходят на наружный диаметр детали, что приводит к образованию острых кромок и необходимости введения слесарно-зачистных операций ручной обработки.

В остальном деталь достаточно технологична допускает применение высокопроизводительных режимов обработки, имеет хорошие базовые поверхности для первоначальных операций и довольно проста по конструкции. Расположение крепежных отверстий как резьбовых, так и гладких допускает многоинструментальную обработку. Поверхности вращения могут быть обработаны на многошпиндельных станках.

Пример 2. Деталь – корпус редуктора (Рис. 2), представляющая собой отливку коробчатой формы из серого чугуна СЧ 21‑40. Отливка довольно проста по конфигурации, но требует применения стержневой формовки для образования внутренних полостей. Кроме того, в опоке должен быть предусмотрен сложный разъем ввиду наличия у детали выступов на боковой поверхности. Следует заметить, что толщина стенок отливки неоправданно завышена, тек как наибольший габаритный размер детали не превышает 250 мм и минимальная толщина стенок для таких отливок составляет 3‑5, а на чертеже ‑10 мм. Следовательно, условию минимальной металлоемкости эта деталь уже не удовлетворяет.

С точки зрения механической обработки деталь имеет следующие недостатки в отношении технологичности. Форма и расположение отверстий  95А и  62П удобны для обработки с одной стороны отливки. Два других отверстия, лежащих на оси II,  62П и  40П не могут быть обработаны на проход с той же стороны, что и отверстия по оси I. Таким образом, обработка этих групп отверстий может вестись только с двух сторон одновременно или с перестановкой детали на разных операциях. В последнем случае затруднительно обеспечить требование относительно параллельности осей I и II в пределах 0,03 мм.

Рис. 2. Корпус редуктора

Значительные трудности вызывает обработка крепежных отверстий, так как они расположены близко относительно друг друга – в большинстве случаев на расстоянии менее 25 мм – и одновременная их обработка на многошпиндельных станках невозможна. Ряд крепежных отверстий расположен внутри отливки в труднодоступных для инструмента местах, что затрудняет процесс обработки. Нетехнологичны цековки  20 мм, так как их обработку возможно производить только с обратной стороны съемными зенкерами, которые надеваются на оправку после того, как она пропущена в отверстие. Обработка при этом выполняется не обычным образом, так как шпиндель станка вместо того, чтобы производить давление на инструмент, должен вытягивать инструмент вверх.

Рис. 3. Ведомая шестерня

Эти цековки можно довольно проста заменить платиками под головки винтов. Эти платики можно будет обрабатывать на проход, совместна ату обработку с обработкой наружных поверхностей.

Затруднительна и обработка поверхности С, так как она расположена внутри детали и, следовательно, к ней нет свободного доступа и выхода инструмента.

Следует заметить, что большей частью приведенные соображения справедливы для массового и крупносерийного производства.

Остальные обрабатываемые поверхности с точки зрения точности и чистоты не представляют значительных технологических трудностей, позволяют вести обработку на проход и дают возможность обрабатывать несколько деталей одновременно высокопроизводительными методами.

Пример 3. Деталь – ведомая шестерня (Рис. 3) – изготовлена из легированной стали 20ХНР и проходит термическую обработку. Последнее обстоятельство имеет большое значение в отношении короблений, возможных при нагревании и охлаждении детали. В этом смысле перемычка, связывающая тело зубчатого венца и ступицу, расположена неудачно, так как при термической обработке возникнут односторонние искажения. Зубчатый венец уменьшится в размерах и вызовет сжатие ступицы с ясного торца. Таким образом, отверстие приобретет коническую форму и в свою очередь передаст этот характер искажения на зубчатый венец. Поэтому перемычку между венцом и ступицей следует в осевом сечении расположить наклонно, как это указано на чертеже пунктиром. Такое конструктивное изменение приведет к меньшим искажениям при термической обработке.

Вообще следует отметить, что деталь, по-видимому, не обладает достаточной жесткостью для применения методов пластического формообразования зубчатого венца, а также протягивания шлицевого отверстия в ступице. Очевидно также, что некоторое усиление ступицы с этой целью не привело бы к значительному увеличению веса заготовки. Вывод о недостаточной жесткости следует проверить расчетом.

С точки зрения механической обработки зубчатые колеса вообще нетехнологичны, так как операция нарезания зубьев со снятием стружки производится в основном малопроизводительными методами.

Вместе с тем при конструировании деталей вопросы повышения производительности зубообработки должны учитываться. Так, например, наличие выступа относительно зубчатого венца на левом торце неизбежно приведет к тому, что при одновременной обработке двух деталей зубофрезерованием между ними придется установить прокладку в виде кольца, что увеличит длину резания и, следовательно, снизит производительность процесса. Это приведет также к тому, что на нижнем торце верхней детали при зубофрезеровании образуются заусенцы, которые нужно будет снять. Вместе с тем весьма вероятно, что эти факторы могли быть учтены при конструировании детали, и технологичность ее была бы значительно улучшена.

Положительным следует считать наличие в отверстии двух фасок, наружный диаметр которых больше наружного диаметра шлицевого отверстия. Это позволяет протягивать шлицевые отверстия после изготовления фасок, а торцы обрабатывать на многорезцовом станке. В этом случае резцы для подрезки торцов не будут доходить до шлицевого отверстия, что обеспечивает хорошие условия резания (не на прерывистой поверхности) и, следовательно, высокую точность.