Методы получения заготовок в машиностроении. Способы получения заготовок Изучение видов и способов получения заготовок деталей

Под заготовкой понимается изделие, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь. Для получения детали из заготовки ее подвергают механической обработке, в результате которой удалением слоя материала (припуска) с отдельных (или всех) ее поверхностей получают заданные конструктором на чертеже геометрическую форму, размер и свойства поверхностей детали. Припуск необходим для надежного обеспечения геометрических характеристик и чистоты рабочих поверхностей детали. Величина припуска зависит от глубины дефектов поверхности и определяется видом и способом получения заготовки, ее массой и габаритами.

Кроме припусков при механической обработке удаляются напуски, которые составляют часть объема заготовки, добавляемую иногда для упрощения технологического процесса ее получения.

Заготовки простой конфигурации (с напусками) дешевле, так как не требуют при изготовлении сложной и дорогой технологической оснастки.

Выделяют следующие виды заготовок:

получаемые литьем (отливки);

получаемые обработкой давлением (кованые и штампованные заготовки);

заготовки из проката (получаемые отрезкой);

сварные и комбинированные заготовки;

получаемые методами порошковой металлургии.

Заготовка может быть штучной (мерной) или непрерывной, например пруток горячекатаного проката, из которого разрезкой могут быть получены отдельные штучные заготовки.

Заготовки получают также из конструкционной керамики.

Литьем получают заготовки фактически любых размеров простой и очень сложной конфигурации почти из всех металлов и сплавов, а также и из других материалов (пластмассы, керамики и т.д.). Качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья. В некоторых случаях внутри стенок отливок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, трещины, получающиеся в горячем или холодном состоянии), которые часто обнаруживаются только после черновой механической обработки.

Обработкой металлов давлением получают кованые и штампованные заготовки. Ковка применяется в единичном и мелкосерийном производстве, а также при изготовлении крупных, уникальных заготовок и заготовок с особо высокими требованиями к объемным свойствам материала. Штамповка позволяет получить заготовки близкие по конфигурации к готовой детали. Механические свойства заготовок, полученных обработкой давлением, выше, чем литых.

Сварные и комбинированные заготовки изготовляют из отдельных составных элементов, соединяемых между собой с помощью различных способов сварки. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (коробление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой.

Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии, по форме и размерам могут соответствовать готовым деталям и требуют незначительной, часто только отделочной обработки.

Заготовки из конструкционной керамики применяют для теплонапряженных и (или) работающих в агрессивных средах деталей.

Поступающие на обработку заготовки подвергают техническому контролю по соответствующей инструкции, устанавливающей метод контроля, периодичность, количество проверяемых заготовок в процентах к выпуску и т.д.

У заготовок сложной конфигурации с отверстиями и внутренними полостями (типа корпусных деталей) в заготовительном цехе проверяют размеры и расположение поверхностей. Для этого заготовку устанавливают на станке, используя ее технологические базы, имитируя схему установки, принятую для первой операции обработки. Отклонения размеров и формы поверхностей должны соответствовать требованиям чертежа заготовки. Заготовки должны быть выполнены из материала, указанного на чертеже, обладать соответствующими ему механическими свойствами, не должны иметь внутренних дефектов (для отливок - рыхлоты, раковины, посторонние включения; для поковок - пористость и расслоения, трещины по шлаковым включениям, «шиферный» излом, крупнозернистость, шлаковые включения; для сварных конструкций - непровар, пористость металла шва, шлаковые включения).

Дефекты, влияющие на прочность и внешний вид заготовки, подлежат исправлению. В технических условиях должны быть указаны вид дефекта, его количественная характеристика и способы исправления (вырубка, заварка, пропитка различными химическими составами, правка).

Поверхности отливок должны быть чистыми и не должны иметь пригаров, спаев, ужимин, плен, намывов и механических повреждений. Заготовка должна быть очищена или обрублена, места подвода литниковой системы, заливы, заусенцы и другие дефекты должны быть зачищены, удалена окалина. Особенно тщательно должны быть очищены полости отливок. Необрабатываемые наружные поверхности заготовок при проверке по линейке не должны иметь отклонений от прямолинейности более заданных. Заготовки, у которых отклонение от прямолинейности оси (кривизна) влияет на качество и точность работы машины, подлежат обязательному естественному или искусственному старению согласно технологическому процессу, обеспечивающему снятие внутренних напряжений, и правке.

Отмеченные на чертеже заготовки базы для механической обработки должны служить исходными базами при изготовлении и проверке технологической оснастки (моделей и приспособлений), должны быть чистыми и гладкими, без заусенцев, остатков литников, прибылей, выпоров, литейных и штамповочных уклонов.

2.1. Термины и определения

Изделие - это предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на данном предприятии. Всякое изделие, рассматриваемое как объект проектирования, производства, эксплуатации и ремонта, должно быть рациональным по своему конструктивному исполнению. Состав и структура изделия, в соответствии с которыми разрабатывают конструкторскую документацию, являются основными признаками деления их на виды. В зависимости от наличия или отсутствия составных частей изделия могут быть отнесены к сборочным единицам или к.
Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат соединению между собой сборочными операциями.
Деталь - изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций или с использованием местных соединительных операций (, склеивания и т. п.). В зависимости от принадлежности следует различать взаимосвязанные и самостоятельные детали.
Взаимосвязанными считают детали, являющиеся составными частями сборочных единиц, а самостоятельные не входят в состав других изделий (например, гаечный ключ, сверло и др.).
Совокупность всех действий людей и орудий, необходимых на данном производстве для изготовления или ремонта выпускаемых изделий, называют производственным процессом . При осуществлении этого процесса материалы и полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему служебному назначению.
Технологическим процессом называют часть производственного процесса, содержащую целенаправленные действия по изменению состояния предметов труда. При осуществлении технологического процесса происходит последовательное изменение формы, размеров, материала или полуфабриката в целях получения изделия, соответствующего заданным техническим требованиям. Технологический процесс осуществляется на рабочих местах.
Технологическая операция - законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все последовательные действия рабочего и оборудования по изготовлению заготовки или ее обработки. Часть технологической операции, выполняемую при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок, называют установом .
Законченную часть технологической операции, выполняемую одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установах, называют технологическим переходом . Законченную часть технологического перехода, которая при однократном перемещении относительно заготовки изменяет форму, размеры, шероховатость поверхности или свойства заготовки, называют рабочим ходом .
Производство изделий невозможно без технологического оборудования и оснастки.
Технологическое оборудование - это орудия производства, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещают заготовки, средства воздействия на них и источники энергии. Примером технологического оборудования являются литейные машины, прессы, станки , и т.д.
Технологическая оснастка - это орудия производства, используемые совместно с технологическим оборудованием, для выполнения определенной части технологического процесса. Примерами технологической оснастки являются, приспособления, режущий инструмент и т. д.
Изделия изготавливают в условиях массового, серийного и единичного производств.
Массовое производство характеризуется непрерывным изготовлением изделий ограниченной номенклатуры на узкоспециализированных рабочих местах. Этот тип производства позволяет механизировать и автоматизировать технологический процесс.
В условиях серийного производства изготавливают изделия ограниченной номенклатуры партиями (сериями) с широкой специализацией рабочих мест. Разделение серийного производства на крупно-, средне- и мелкосерийное - условное. 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 производство отличается изготовлением в единичных количествах изделий широкой номенклатуры неповторяющихся или повторяющихся через определенный промежуток времени изделий на рабочих местах, не имеющих определенной специализации.

2.2. Основные виды заготовок и их характеристики

Изготовление деталей начинается с производства заготовок.
Заготовкой называют предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь.
Различают следующие виды заготовок:
Профили - заготовки постоянного или периодического сечения, изготавливаемые в условиях металлургического производства.
Штучные заготовки - заготовки, получаемые обработкой давлением, методами порошковой металлургии, литьем и сваркой
Комбинированные заготовки - сложные изделия, получаемые соединением (в частности сваркой) отдельных более простых элементов. Примерами таких заготовок являются композиты, состоящие из матрицы и упрочняющих элементов (волокон, дисперсных частиц, сеток и др.). Комбинированные заготовки позволяют снизить массу изделий, а для более нагруженных конструкций использовать оптимальную композицию структурообразующих элементов.
Сварные заготовки - изделия, получаемые с использованием сварки элементов (профилей, литых, кованых, штампованных). Эти заготовки классифицируют в соответствии с методом получения исходных элементов и называют листосварными, штампованными, литосварными и др.
Заготовки характеризуются конфигурацией и размерами, точностью получаемых размеров, структурой металла, состоянием поверхности и т.д. Форма и размеры заготовки определяют технологию её изготовления и последующую механическую обработку. Точность размеров является важнейшим фактором, влияющим на стоимость изготовления детали. Необходимо обеспечить стабильность размеров заготовки в пределах изготавливаемой партии. Состояние поверхности (отбел чугунных отливок, слой окалины на и др.) может существенно затруднять последующую механическую обработку резанием.
Припуск на механическую обработку - это слой металла, удаляемый с поверхности заготовки с целью получения требуемых по чертежу формы и размеров детали. Припуски делят на общие и операционные. Общий припуск на обработку - это слой металла, необходимый для выполнения всех необходимых, совершаемых над данной поверхностью. Операционный припуск - это слой металла, удаляемый при выполнении одной технологической операции. Общий припуск равен сумме операционных.
Припуск на механическую обработку назначают только на те поверхности, для которых требуемая форма и точность размеров не могут быть достигнуты принятым методом и способом получения заготовки. Размер припуска влияет на себестоимость изготовления детали следующим образом:
- завышенный припуск увеличивает затраты труда, расход материалов заготовки, режущего инструмента и электроэнергии;
- заниженный припуск требует применения более дорогостоящих способов получения заготовок, при этом необходима более высокая квалификация рабочего.
Оптимальный припуск зависит от материала, размеров, конфигурации и вида заготовки, толщины дефектного поверхностного слоя и др. Известно, что полученные в песчаных формах отливки имеют на поверхности, песчаные включения, а поковки, изготовленные, покрыты окалиной. В процессе проектирования заготовки припуск выбирают по стандартам и справочникам.
Реальный слой металла, снимаемый в процессе обработки резанием, может колебаться в широких пределах, так как помимо припуска часто приходится удалять напуск.
Напуск - это объем металла на поверхности заготовки (сверх припуска), предназначенный для упрощения конфигурации заготовки и облегчения условий ее получения. В большинстве случаев напуск удаляют механической обработкой резанием, реже оставляют в изделии (и литейные уклоны, увеличенные радиусы закруглений и др.)
В процессе превращения заготовки в деталь ее размеры приобретают ряд промежуточных значений, которые называют операционными размерами. На рис. 2.1 на деталях показаны припуски, напуски и операционные размеры изделий.

Рис. 2.1 Припуски, напуски на размеры корпуса
подшипника (а ), пробки (б ), вала (в ):
D дет – диаметр отверстия в детали; D 1 и D 2 – операционные размеры отверстия;
D заг – диаметр отверстия в заготовке;

Удельный вес стоимости материалов в себестоимости машиностроительной продукции в станкостроении составляет 40...60%, при изготовлении локомотивов и вагонов - 60…75% и имеет тенденцию к увеличению. Правильный выбор конструкционного материала должен обеспечивать высокие детали, её долговечность, ремонтопригодность и способность к утилизации.
Выбор материала осуществляют на основе расчетов, экспериментов или опыта эксплуатации аналогичных деталей. Проектируя деталь, конструктор должен знать какие технологические процессы будут использованы при изготовлении заготовки и ее последующей обработке. При этом технологические свойства материала могут заранее определять технологию изготовления заготовки и последующую ее термическую и механическую обработки.

2.3. Качество и технологичность заготовок

Под качеством промышленной продукции понимают степень соответствия присущих характеристик потребностям потребителей (ГОСТ Р ИСО 9000-2001).
Качество заготовок в большинстве случаев оценивают точностью формы, размеров, взаимного расположения поверхностей и, а также состоянием поверхностного слоя.
Под точностью заготовки понимают ее соответствие требованиям чертежа и технических условий на её изготовление. Отклонение реальной заготовки от требования чертежа (эталона) называют погрешностью .
Поверхностный слой заготовок оценивается двумя группами параметров:
- геометрическими (волнистость, шероховатость, субмикронеровности);
- физико-механическими (химический состав, микро- и макроструктура; величина, знак и глубина распространения остаточных и др.)
Состояние поверхности определяется свойствами материала и технологией изготовления заготовки. Геометрические показатели качества поверхности и точности заготовок взаимосвязаны. Так, если заготовку получают, то микро- и макронеровности не позволяют получать высокую точность размеров.
Под технологичностью конструкции изделия понимают совокупность свойств конструкции, определяющих ее пригодность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работы. Вопросы технологичности решают комплексно, начиная со стадии проектирования заготовки, выбора метода ее изготовления и заканчивая процессами ее механической обработки и сборки всего изделия.
Современная тенденция состоит в том, что отработка конструкции на технологичность смещается на стадию разработки конструкторской документации. Поэтому при проектировании деталей конструктор должен уметь выбрать оптимальные методы и способы получения заготовки, ее последующей обработки, обеспечивающие требуемое качество.
Выбор показателей технологичности зависит от назначения детали, типа производства и условий эксплуатации. Для заготовок в качестве показателей технологичности применяют коэффициент использования материала, технологическую себестоимость, трудоемкость изготовления и др.
Коэффициент использования материала (КИМ ) - это безразмерная величина, определяемая отношением массы детали (m д ) к массе израсходованного материала (m р ):

КИМ = m д / m р

Масса израсходованного материала может быть определена как сумма массы заготовки (m заг), массы технологических потерь, которые образуются в процессе изготовления заготовки, и массы неизбежных потерь, связанных с отработкой технологического процесса.
Значение m заг , определяется суммой масс получаемой детали, напуска (объема металла, упрощающего форму заготовки) и.
При расчете КИМ находят коэффициент выхода годного материала в процессе изготовления заготовки

К ВГ = m заг / m р

и коэффициент весовой точности

К ВТ = m д / m заг,

который определяет количество материала, удаляемого в процессе механической обработки заготовки при получении детали требуемого качества.
Для оценки технологичности конструкции детали необходимо учитывать, что

КИМ = К ВГ. К ВТ.

Обеспечение технологичности деталей на стадии проектирования достигается при соблюдении следующих условий:
- конфигурация изделия представляет собой сочетание наиболее простых геометрических форм;
- формы и размеры отдельных элементов детали (уклоны, радиусы закругления и др.) должны быть по возможности унифицированы;
- точность размеров и деталей должны быть обоснованными;
- желательно использовать получения заготовок, которые не требуют последующего снятия, например, .

2.4. Формообразующие технологические процессы

Формообразующие процессы по методу их исполнения принято подразделять на следующие:
- осаждение из парогазовой фазы , в процессе которого образуется форма заготовки в результате конденсации парообразных или газообразных химических элементов с образованием твердых осадков;
- литье , в процессе которого формообразование заготовки или детали осуществляется из жидкого материала путем заполнения им полости заданной формы и размеров с последующим;
- формование , заключающееся в получении заготовки или детали из порошкового или волокнового материала путем заполнения полости заданной формы и размеров с последующим уплотнением;
- гальванопластику - процесс получения изделий из жидкого материала путем осаждения металла из раствора под действием электрического тока;
- обработку давлением , в процессе которой происходит изменение формы, размеров, шероховатости и свойств первичной заготовки (слитка, профиля) в результате и/или разделения изделия без образования стружки;
- механическую обработку резанием , в процессе которой происходит изменение формы, размеров, шероховатости путем деформирования и последующего отделения поверхностного слоя заготовки с образованием стружки ;
- электрофизическую и электрохимическую обработку , заключающиеся в изменении формы, размеров, шероховатости поверхностей заготовки путем использования электрических разрядов, магнитострикционного эффекта, электронного или оптического излучения и растворения ее материала в электролите под действием электрического тока;
- сборку , в процессе которой происходит образование разъемных и неразъемных соединений составных частей заготовки или изделия путем навинчивания, сварки, пайки, клепки, склеивания и т.д..
Формообразующие технологические процессы можно классифицировать по агрегатному состоянию заготовок или деталей в процессе их изготовления.

2.5. Основные принципы выбора метода получения заготовки

Одним из основополагающих принципов выбора метода получения заготовки является обеспечение максимального приближения ее формы, размеров и качества поверхности к аналогичным характеристикам получаемой 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, их и обслуживание. Поэтому при выборе метода получения заготовки следует производить технико-экономический анализ двух этапов производства- заготовительного и механообрабатывающего.
Выбор метода получения заготовки должен осуществляться на основе технического и экономического принципов. В соответствии с техническим принципом выбранный технологический процесс должен полностью обеспечивать выполнение всех требований на изготовление изделия. В соответствии с экономическим принципом изготовление заготовки следует вести с минимальными производственными затратами. Из нескольких возможных методов получения изделия при прочих равных условиях выбирают наиболее экономичный, а при равной экономичности - наиболее производительный.

2.6. Технологические возможности основных методов получения заготовок

В условиях металлургического производства машиностроительные профили изготавливают прокаткой, прессованием и волочением. При этом получают заготовки в виде сортовых профилей, листового проката, труб и периодических профилей. Прокат выпускают горячекатанным и калиброванным. При изготовлении деталей из калиброванных профилей, отличающихся высокой точностью размеров и низкой шероховатостью поверхности, возможна только отделочная механическая обработка поверхностей заготовок.
Сортовые профили подразделяют на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер; рельс; угловой, тавровый профили и т.п.). Листовой металл делят на толстолистовую сталь (толщиной 4 - 160 мм), тонколистовую сталь (толщиной менее 4 мм) и фольгу (толщиной менее 0,2 мм). Трубы могут быть бесшовными (фильм ) и сварными (фильм ). Бесшовные трубы используют в наиболее ответственных трубопроводах, работающих под внутренним давлением в агрессивных средах. Периодические профили имеют изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки. Их применяют как фасонные заготовки для последующей объемной штамповки и механической обработки резанием.
Легкие, но жесткие тонкостенные профили (менее 2- 3 мм) весьма сложной конфигурации и большой длины можно получать методом профилирования листового материала в холодном состоянии на профилегибочных. Гнутые профили применяют при изготовлении изделий для машиностроения, автомобильной и авиационной промышленности, строительных конструкций.
Для получения заготовок из стали и цветных металлов с деформированной макроструктурой, имеющих форму и размеры близкие к форме деталей машин, целесообразно применять метод обработки давлением (ковку, объемную и листовую штамповку).
Ковку применяют для изготовления поковок в путем пластической деформации заготовок из профилей или слитков. При производстве крупных и уникальных заготовок массой до 250 т ковка - единственно возможный способ обработки давлением. (фильм )
Заготовки, полученные объемной штамповкой , отличаются более высокой точностью размеров, качеством поверхностного слоя по сравнению с коваными заготовками. (фильм ) Применение этого вида обработки давлением для получения заготовок деталей машин экономически целесообразно в условиях и. При изготовлении поковок объемной штамповкой применяют сортовые и периодические профили. По точности и шероховатости поверхностей заготовки, получаемые холодной объемной штамповкой, не уступают изделиям, изготавливаемым специальными способами литья. При этом механические свойства поковок выше, чем отливок.
Листовой штамповкой изготавливают самые разнообразные плоские и пространственные изделия массой от долей граммов до десятков килограммов. (фильм ) В качестве заготовок при листовой штамповке используют полученные прокаткой листы, полосы или ленты, толщина которых обычно не превышает 10 мм. При заданной прочности и жесткости этим видом обработки давлением получают изделия минимальной массы с высокой точностью размеров и качеством поверхности. Это позволяет сократить количество отделочных технологических операций механической обработки резанием.
Методами порошковой металлургии получают заготовки, которые по размерам и форме близки к форме и размерам деталей, поэтому при изготовлении изделий требуется небольшой объем механической обработки. (фильм ) Технологии порошковой металлургии позволяют практически полностью исключить из производства обычные металлургические процессы, а также значительно улучшить экологические условия. Коэффициент использования металла увеличивается до 0,98, производительность труда возрастает в 2 раза по сравнению с изготовлением деталей из сортовых профилей, получаемых в условиях металлургического производства. Статистические данные свидетельствуют о том, что перевод тонны деталей из стали на изготовление методом порошковой металлургии обеспечивает в машиностроении экономию 2 т профилей и высвобождает 80 металлорежущих станков . Недостатками этих методов получения заготовок являются: остаточная пористость изделий, ограниченность размеров и высокая стоимость.
Методом литья получают заготовки практически любых размеров, как простой, так и очень сложной конфигурации. (фильм ) При этом отливки могут иметь сложные внутренние полости с криволинейными поверхностями, пересекающимися под различными углами. Точность размеров и качество поверхности заготовки зависят от способа литья. Отливки можно изготавливать практически из всех металлов и сплавов. В некоторых случаях внутри стенок образуются дефекты (усадочные раковины, пористость, горячие и холодные трещины), которые обнаруживаются только после черновой механической обработки при снятии литейной корки.
Сварные заготовки изготавливают различными видами сварки - от электрошлаковой (фильм ) до сварки трением. (фильм ) В ряде случаев сварка упрощает изготовление заготовок сложной конфигурации. Слабым местом сварной заготовки является шов или околошовная зона. Как правило, их прочность ниже, чем основного металла. Кроме того, неправильная конструкция заготовки или технология сварки может привести к дефектам (коробление, пористость, трещины), которые трудно исправить последующей обработкой. Заготовки сложной конфигурации дают значительный экономический эффект при изготовлении элементов изделий штамповкой, литьем, прокаткой, с последующим соединением их сваркой. Такие заготовки применяют при изготовлении крупных коленчатых валов, станин кузнечно-прессового оборудования и т.п.

2.7. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки

Метод получения той или иной заготовки зависит от служебного назначения детали и требований, предъявляемых к ней, а также от ее конфигурации и размеров, марки материала, типа производства и других факторов.
Наиболее сложные по конфигурации заготовки можно изготавливать методам литья. Изделия, получаемые методом обработки давлением, должны быть более простыми по форме. Изготовление в поковках отверстий и полостей объемной штамповкой в ряде случаев затруднено, а использование напусков резко увеличивает объем последующей механической обработки.
Размеры заготовок, получаемых методами литья и обработки давлением, практически не ограничиваются. Нередко определяющим параметром в этом случае являются минимальные размеры (например, минимальная толщина стенок отливки, минимальная масса поковки). Объемной штамповкой и большинством специальных способов литья получают заготовки массой до нескольких десятков или сотен килограммов.
Форма и размеры заготовок, получаемых методами порошковой металлургии, ограничены как максимальными, так и минимальными размерами. При этом площадь поперечного сечения изделий, получаемых холодным формированием порошков с последующим спеканием, может быть от 50 мм 2 до 6000 мм 2 , высота - от 2 до 60 мм, а масса заготовок, как правило, не превышает 10 кг.
В процессе конструирования деталей выбор марки материала определяется не только условиями ее функционирования, но и условиями изготовления в реальном производстве. В то же время технологические свойства материала существенно влияют на выбор метода и способа получения заготовок. Так, серый чугун имеет прекрасные литейные свойства, но обладает низкой деформированностью и плохой свариваемостью.
Заготовки из одного и того же материала, полученные методами литья, обработки давлением и сваркой, обладают различными свойствами. Так, литой металл характеризуется большим размером зерен, неоднородностью химического состава и механических свойств по сечению отливки, наличием остаточных напряжений и т.д.
После обработки давлением заготовки имеют мелкозернистую структуру и определенную направленность расположения волокон (неметаллических включений). После холодной обработки давлением возникает наклеп, поэтому холоднокатаный металл прочнее литого в 1,5- 3 раза. Пластическая деформация металла приводит к анизотропии свойств: прочность вдоль волокон (неметаллических включений) примерно на 10 - 15 % выше, чем в поперечном направлении.
Сварка приводит к образованию неоднородных структур в сварном шве и в околошовной зоне. Неоднородность зависит от вида и режима сварки. Так, наиболее резкое отличие в свойствах сварного шва возникает при ручной дуговой сварке (фильм ), а электрошлаковая (фильм ) и автоматическая электродуговая сварки (фильм ) обеспечивают формирование наиболее качественных однородных швов.
Программа выпуска продукции, т.е. количество изделий, выпускаемых в течение определенного времени (обычно за год), является одним из важнейших факторов, определяющих выбор метода и способа производства заготовок.
В условиях единичного производства и для простых по конфигурации деталей часто заготовками являются профили (сортовой прокат, трубы и т.п.), получаемые в условиях металлургического производства. Стоимость механической обработки заготовок при изготовлении деталей в этом случае высока. Однако такая заготовка может быть достаточно экономичной из-за низкой стоимости проката, почти полного отсутствия подготовительных операций и возможности автоматизации процесса механической обработки.
При крупносерийном и массовом производстве конструкции заготовок следует максимально приближать к конфигурациям деталей. Например, для изготовления ступенчатого вала из стали 45 (рис. 2.2) целесообразно применить поковку, получаемую объемной штамповкой.

Рис. 2.2 Вал ступенчатый: а - деталь; б - штампованная поковка; в - заготовка из горячекатаного проката

Эффективными технологическими способами изготовления заготовок в крупносерийном и массовом производстве являются специальные виды прокатки (поперечно-винтовая, поперечно-клиновая, прокатка в винтовых калибрах), которые позволяют получить периодические профили (фильм ).. Применение таких заготовок дает возможность повысить коэффициент использования материала и производительность труда.
При конструировании деталей необходимо учитывать возможности предприятия, на котором предполагается их изготовление. Для этого необходимо располагать сведениями о типе и количестве имеющегося оборудования, производственных площадях, возможностях ремонтной базы, вспомогательных служб и т.д.
Технологический процесс изготовления заготовки оказывает влияние на форму, размеры и состояние поверхностей изделия, поэтому при проектировании детали необходимо определить оптимальный метод изготовления заготовки.
Рассмотрим пример проектирования заготовки детали, эскиз которой приведен на рис. 2.3. Марка материала проектируемого изделия - низколегированная сталь (сталь 40Х, сталь 40ХЛ), масса - 12,1 кг, годовая программа - 5000 шт.

Рис. 2.3. Эскиз детали

На предварительном этапе выбора метода изготовления заготовки можно воспользоваться матрицей влияния факторов (табл. 2.1). Каждый фактор в ней оценивают с помощью коэффициента удельного веса (0 или 1). Лучшим считают метод, набравший большую сумму коэффициентов. В том случае, когда ни у одного из рассмотренных методов изготовления заготовки нет явных преимуществ, проектируют несколько эскизов заготовок, изготовленных наиболее приемлемыми методами.
Анализ формы, размеров и массы детали, требуемой точности и состояния поверхностей, технологических свойств материала и годовой программы ее изготовления показал, что применение профилей круглого сечения (ГОСТ 2590- 88) нецелесообразно, поскольку большое количество металла при механической обработке заготовки резанием удаляется в виде стружки (КИМ < 0,5). Применение методов порошковой металлургии является неприемлемым, так как масса заготовки превышает 10 кг, а высота - более 60 мм. Поэтому в соответствии с данными матрицы влияния факторов (табл. 2.1.) целесообразно рассмотреть три метода получения заготовки проектируемой детали: обработкой давлением, литьем и сваркой.

Таблица 2.1.

Матрица влияния факторов

Методы изготовления заготовок						Сумма коэффициентов
	Форма и размеры заготовок	Требуемая точность и состояние поверхностного слоя	Технологические свойства материала	Годовая программа выпуска	Производственные возможности предприятия
Металлурги-ческое производство профилей
Метод обработки давлением
Методы порошковой металлургии
Метод литья
Метод сварки

С учетом особенностей конструкции детали и технологических свойств низколегированной стали для изготовления поковки выбираем горячую объемную штамповку на горизонтально - ковочной машине. Ввиду большой глубины центрального отверстия целесообразна односторонняя наметка. В соответствии с технологическими рекомендациями назначают припуск на механическую обработку, штамповочные уклоны и радиусы закругления. Эскиз штампованной заготовки приведен на рис. 2.4,а. Марка материала - сталь 40Х, расчетная масса поковки- 12,8 кг.
Изготовление отливки проектируемой детали осуществляют литьем в песчаные формы (фильм ). Для того, чтобы уменьшить высоту литейной формы, ось отливки расположена горизонтально. В соответствии с расчетными данными и рекомендациями в отливке может быть изготовлено только центральное отверстие, а на отверстия диаметром 12 мм назначен напуск, формовочные уклоны составляют 40, а литейные радиусы - 5 мм. Эскиз отливки приведен на рис. 2.4,б, марка материала - сталь 40ХЛ, расчетная масса - 13,8 кг.
Для повышения технологичности сварной заготовки проектируемой детали целесообразно фланец изготавливать горячей объемной штамповкой на механическом прессе, а цилиндрическую часть (хвостовик) получать из трубы (ГОСТ 8732-78). Для формирования неразмеченного соединения элементов заготовки применена полуавтоматическая аргонодуговая сварка. Эскиз сварной заготовки из стали 40ХЛ, массой -12,4 кг приведен на рис. 2.4,в.

а)

б)

в)

Рис. 2.4 Эскизы заготовок проектируемой детали: а - поковка; б - отливка: в - сварная конструкция

Оптимальный метод и способ изготовления заготовки устанавливают на основе анализа:
- конструктивно-технологических признаков проектируемой детали;
- технико-экономических показателей способов заготовительного производства, имеющихся на предприятии;
- технологических требований предъявляемых при механической обработке заготовки резанием;
- годовой программы выпуска изделия.
После выбора оптимального метода определяют способ изготовления заготовки (поковки, отливки, сварной конструкции и др.), используемое оборудование, инструмент и технологическую оснастку. Затем изготавливают чертежи заготовки и детали, конструкция которой отвечает требованиям технологичности.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные виды заготовок и параметры, по которым оценивают их качество и технологичность.
2. Какие этапы изготовления деталей необходимо учитывать при расчете коэффициента использования материала?
3. Сформулируйте основополагающий принцип выбора метода получения заготовок деталей машин и приборов.
4. Какой метод изготовления заготовок обеспечивает получение крупногабаритных изделий сложной конфигурации (например, крупных коленчатых валов, станин кузнечнопрессового оборудования, конструкций из разнородных материалов и т.п.)?
5. На основе анализа каких данных определяют оптимальный метод и способ изготовления заготовки проектируемой детали?
6. Назовите основные методы получения заготовок и их технологические возможности.

Выбор метода и способа получения заготовки Необходимость экономии материальных ресурсов предъявляет высокие требования к рациональному выбору заготовок, к уровню их технологичности, в значительной мере определяющей затраты на технологическую подготовку производства, себестоимость, надёжность и долговечность изделий. Правильно выбрать способ получения заготовки – означает определить рациональный технологический процесс её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска. Машиностроение располагает большим количеством способов получения деталей. Это многообразие, с одной стороны, позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики машин за счёт использования свойств исходного материала, с другой – создаёт трудности при выборе рационального, экономичного способа получения детали. Особенно важно правильно выбрать вид заготовки, назначить наиболее рациональный технологический процесс её изготовления в условиях автоматизированного производства, когда размеры детали при механической обработке получаются «автоматически» на предварительно настроенных агрегатных станках или станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В этом случае недостаточные припуски так же вредны, как и излишние, а неравномерная твёрдость материала или большие уклоны на заготовке могут вызвать значительные колебания в допусках размеров готовой детали. Поэтому очень важен экономически и технологически обоснованный выбор вида заготовки для данного производства. Максимальное приближение геометрических форм и размеров заготовки к размерам и форме готовой детали – главная задача заготовительного производства. Заданные конструктором геометрия, размеры и марка материала детали во многом определяют технологию изготовления. Таким образом, выбор вида заготовки происходит в процессе конструирования, так как при расчёте деталей на прочность, износостойкость или при учете других показателей эксплуатационных характеристик конструктор исходит из физико-механических свойств применяемого материала с учётом влияния способа получения заготовки. Факторы, влияющие на себестоимость производства в машиностроении, делятся на три группы: 1-я группа – конструктивные факторы, т.е. конструктивное решение самой детали, обеспечивающее приемлемость её для изготовления обработкой давлением, литьем, сваркой; выбор марки материала и технологических условий; 2-я группа – производственные факторы, т.е. характер и культура производства, технологическая оснащенность, организационные и технологические уровни производства; 3-я группа – технологические факторы, характеризующие способ формообразования заготовок, выбор самой заготовки, оборудования и технологического процесса получения детали. То, насколько полно в заготовке учтено влияние факторов первой и второй групп, позволяет судить о технологичности заготовки. Под технологичностью заготовки принято понимать, насколько данная заготовка соответствует требованиям производства и обеспечивает долговечность и надежность работы детали при эксплуатации. Выпуск технологичной заготовки в заданных масштабах производства обеспечивает минимальные производственные затраты, себестоимость, трудоемкость и материалоемкость. Третья группа факторов важна, когда детали могут быть получены одним или несколькими способами литья или обработки давлением, например, фланцы, тройники, шестерни. Однако при литье структура металла, а следовательно, и механические свойства, ниже, чем при обработке металлов давлением. Также, особенно при литье в кокиль или под давлением, выше вероятность возникновения литейных напряжений и наличия пористости. При штамповке, создавая направленную структуру, можно увеличить эксплуатационные свойства детали. В то же время заданный параметр шероховатости поверхности и точность размеров могут быть обеспечены в обоих случаях. Таким образом, при выборе способов получения заготовки в первую очередь следует учитывать основные факторы (себестоимость и требования к качеству), ориентироваться на то, что в конкретном случае является определяющим. В качестве другого примера можно рассмотреть крупногабаритные детали значительной массы, требующие для своего изготовления уникального оборудования большой мощности. Такие детали целесообразно изготавливать сварными. Это позволяет сократить длительность цикла изготовления, повысить качество металла за счет применения слитков меньшей массы с меньшим количеством литейных дефектов, но при этом уменьшается коэффициент использования металла, увеличивается трудоемкость. Оптимальное решение при выборе заготовок может быть найдено только при условии комплексного анализа влияния на себестоимость всех факторов, при обязательном условии положительного влияния способа получения заготовки на качество изделия. В себестоимости изготовления детали значительную долю составляют затраты на материал (около 60 %). Поэтому пути снижения себестоимости целесообразно искать в снижении расхода материала. Технологичность детали с определенной степенью приближения оценивается следующими показателями: – коэффициент выхода годного () ; – весовой точности () ; – использования металла (). – характеризует расход металла в заготовительном цехе, размер брака, технологических отходов, определяется по формуле: где: – масса исходного металла; – масса заготавливаемого металла. – отражает степень приближения формы и размеров заготовки к форме и размерам детали, т.е. характеризует объем механической обработки, определяется по формуле: где: – масса готовой детали. – отражает общий расход металла на изготавливаемую деталь, определяется по формуле: ^ Общие принципы выбора заготовки Наиболее широко для получения заготовок в машиностроении применяют следующие методы: литье, обработка металла давлением и сварка, а также комбинация этих методов. Каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок. ^ Метод – это группа технологических процессов, в основе которых лежит единый принцип формообразования. Литье – получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки. ^ Обработка давлением – технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла. Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок. При выборе метода необходимо ориентироваться в первую очередь на материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств изделия (литье – чугун, стали с обозначением Л). Особо ответственные детали, к которым предъявляются высокие требования по размеру зерна, направлению волокон, а также по уровню механических свойств, всегда следует изготавливать из заготовок, полученной обработкой давлением. Выбор способа получения заготовки сложная задача. Способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким. Основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки. Характер производства . Для мелкосерийного и единичного производства характерно использование в качестве заготовок горячекатаного проката, отливок, полученных в песчано-глинистых формах, поковок, полученных ковкой. Это обуславливает большие припуски, значительный объем последующей механической обработки, повышение трудоемкости. В условиях крупносерийного и массового производств рентабельны способы получения заготовок: горячая объемная штамповка; литье в кокиль, под давлением, в оболочковые формы по выплавляемым моделям. Применение этих способов позволяет значительно сократить припуски, снизить трудоемкость изготовления детали. Повышение точности формообразующих процессов, выбор наиболее точных и прогрессивных способов получения заготовок на базе увеличения серийности производства является одним из важнейших резервов повышения технического уровня производства. Материалы и требования, предъявляемые к качеству детали Материалы должны обладать необходимым запасом определенных технологических свойств – ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью. Для деформируемых материалов необходимым технологическим свойством является технологическая пластичность. Особо жесткие требования по технологической пластичности предъявляются к сплавам, из которых детали получают холодной обработкой давлением – выдавливанием, вытяжкой, гибкой, формовкой. Если металл обладает низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке, то не рекомендуется применять литье в кокиль, под давлением, так как из-за низкой податливости металлической формы могут возникнуть литейные напряжения, коробление отливки, трещины. Целесообразно применять оболочковое литье и литье в песчано-глинистые формы. Для ответственных, тяжело нагруженных деталей (валы, шестерни, зубатые колеса), для которых предъявляются определенные требования к качеству металла и к физико-механическим свойствам – целесообразно использовать поковки, так как в процессе деформирования создается мелкозернистая, направленная волокнистая структура, значительно повышающая физико-механические свойства материала. Размеры, масса и конфигурация детали. Удельная стоимость отливок и поковок растет с уменьшением их массы. Закономерность общая для всех способов получения заготовок и деталей, так как трудоемкость формообразования определяют общей площадью поверхностей, подлежащих обработке. Размеры детали часто играют решающую роль. При литье по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением размеры отливки ограничены технологическими возможностями оборудования и инструмента. Способом горячей объемной штамповки возможно получение поковок до 1000 кг. ^ Качество поверхности заготовок, обеспечение заданной точности. Использование точных способов обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую точность заготовок. Совершенствование ковки и штамповки обеспечивают параметры шероховатости и точность размеров, соответствующих механической обработке и даже финишных операций. Калибровка, холодное выдавливание обеспечивают получение готовых деталей (заклепки, гайки, болты). ^ Возможности имеющегося оборудования. Учитывают при изготовлении заготовок способами центробежного литья, литья под давлением, горячей объемной штамповкой. Иногда это является определяющим моментом. Например, наличие в кузнечном цехе ротационно-ковочных машин позволяет получить ступенчатые заготовки практически без механической обработки. То же – при наличии механических прессов двойного действия или гидравлических многоступенчатых прессов. Мощность кузнечно-штамповочного оборудования определяет номенклатуру изготовления деталей. ^ Литейное производство Общие сведения о литейном производстве Современное состояние и роль литейного производства в машиностроении. Теория и практика технологии литейного производства на современном этапе позволяет получать изделия с высокими эксплуатационными свойствами. Отливки надежно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструкций, металлургических агрегатов, морских судов, деталей бытового оборудования, художественных и ювелирных изделий. Современное состояние литейного производства определяется совершенствованием традиционных и появлением новых способов литья, непрерывно повышающимся уровнем механизации и автоматизации технологических процессов, специализацией и централизацией производства, созданием научных основ проектирования литейных машин и механизмов. Важнейшим направлением повышения эффективности является улучшение качества, надежности, точности и шероховатости отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов и улучшения качества литейных сплавов, устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда. Литье является наиболее распространенным методом формообразования. Преимуществами литья являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы, получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием (магниты). Классификация литых заготовок. По условиям эксплуатации, независимо от способа изготовления, различают отливки: – общего назначения – отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность – ответственного назначения – отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при статических нагрузках; – особо ответственного назначения - отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках. В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверхностей, габаритного размера, толщины стенок, количества стержней, назначения и особых технических требований отливки делят на 6 групп сложности. ^ Первая группа характеризуется гладкими и прямолинейными наружными поверхностями с наличием невысоких усиливающих ребер, буртов, фланцев, отверстий. Внутренние поверхности простой формы. Типовые детали – крышки, рукоятки, диски, фланцы, муфты, колеса вагонеток, маховики для вентилей и т.д. ^ Шестая группа – отливки с особо сложными закрытыми коробчатыми и цилиндрическими формами. На наружных криволинейных поверхностях под различными углами пересекаются ребра, кронштейны и фланцы. Внутренние полости имеют особо сложные конфигурации с затрудненными выходами на поверхность отливки. Типовые детали – станины специальных МРС, сложные корпуса центробежных насосов, детали воздуходувок, рабочие колеса гидротурбин. В зависимости от способа изготовления их габаритных размеров и типа сплавов ГОСТ 26645-85 устанавливает 22 класса точности. Литейные сплавы Требования к материалам, используемым для получения отливок: Состав материалов должен обеспечивать получение в отливке заданных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки. Материалы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов, герметичностью), хорошо свариваться, легко обрабатываться режущим инструментом. Они не должны быть токсичными и вредными для производства. Необходимо, чтобы они обеспечивали технологичность в условиях производства и были экономичными. Литейные свойства сплавов Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию. Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литейной формы. Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается). Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки. Различают объемную и линейную усадку. В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки. Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли – дополнительные резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники. Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок, поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки. Линейная усадка составляет: для серого чугуна – 0,8…1,3 %; для углеродистых сталей – 2…2,4 %; для алюминиевых сплавов – 0,9…1,45 %; для медных сплавов – 1,4…2,3 %. Газопоглощение – способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно; возрастает при плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы. Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Различают ликвацию з ональную, когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную, Когда химическая неоднородность наблюдается в каждом зерне. Литейные сплавы 1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок. Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны. 2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 тонн, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %. Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам. Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др. Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов широкое применение нашли медные и алюминиевые сплавы. ^ 1. Медные сплавы – бронзы и латуни. Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морских судостроения, работающей при температуре 300 ?С, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки. ^ Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности. ^ 2. Алюминиевые сплавы . Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности. Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний. ^ 3. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейный свойства невысоки. Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении. ЛЕКЦИЯ 5 Способы изготовления отливок. Изготовление отливок в песчаных формах Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые формы) для одноразового использования, так и из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования. ^ Изготовление отливок в песчаных формах Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта. Литейная форма для получения отливок в песчаных формах представлена на рис.5.2. Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11. Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки). Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему. Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы. Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы. Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 9.
Рис. 5.2. Литейная форма Разновидности литниковых систем представлены на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Разновидности литниковых систем Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях. По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на: нижнюю, верхнюю, боковую. Нижняя лиитниковая система (рис.5.3.б) – широко используется для литья сплавов, легко окисляющихся и насыщающихся газами (алюминий), обеспечивает спокойный подвод расплава к рабочей полости формы и постепенное заполнение ее поступающим снизу, без открытой струи металлом. При этом усложняется конструкция литниковой системы, увеличивается расход металла на нее, создается неблагоприятное распределение температур в залитой форме ввиду сильного разогрева ее нижней части. Возможно образование усадочных дефектов и внутренних напряжений. При такой системе ограничена возможность получения высоких тонкостенных отливок (при литье алюминиевых сплавов форма не заполняется металлом, если отношение высоты отливки к толщине ее стенки превышает , ). Нижний подвод через большое количество питателей часто используется при изготовлении сложных по форме, крупных отливок из чугуна. Верхняя литниковая система (рис.5.3.в). Достоинствами системы являются: малый расход металла; конструкция проста и легко выполнима при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (температура увеличивается от нижней части к верхней), а следовательно, и благоприятные условия для направленной кристаллизации и питании отливки. Недостатки: падающая сверху струя может размыть песчаную форму, вызывая засоры; при разбрызгивании расплава возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием оксидных включений; затрудняется улавливание шлака. Верхнюю литниковую систему применяют для невысоких (в положении заливки) отливок, небольшой массы и несложной формы, изготовленных из сплавов не склонных к сильному окислению в расплавленном состоянии (чугуны, углеродистые конструкционные стали, латуни). Боковая литниковая система (рис.5.3.а). Подвод металла осуществляется в среднюю часть отливки (по разъему формы). Такую систему применяют при получении отливок из различных сплавов, малых и средних по массе деталей, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Является промежуточной между верхней и нижней, и следовательно сочетает в себе некоторые их достоинства и недостатки. Иногда при подводе металла снизу и сверху используют массивные коллекторы. Приготовление формовочных и стержневых смесей Для приготовления смесей используются природные и искусственные материалы. Песок – основной компонент формовочных и стержневых смесей. Обычно используется кварцевый или цирконовый песок из кремнезема . Глина является связующим веществом, обеспечивающим прочность и пластичность, обладающим термической устойчивостью. Широко применяют бентонитовые или каолиновые глины. Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок используют противопригарные материалы: для сырых форм – припылы; для сухих форм – краски. В качестве припылов используют: для чугунных отливок – смесь оксида магния, древесного угля, порошкообразного графита; для стальных отливок – смесь оксида магния и огнеупорной глины, пылевидный кварц. Противопригарные краски представляют собой водные суспензии этих материалов с добавками связующих. Смеси должны обладать рядом свойств. Прочность – способность смеси обеспечивать сохранность формы без разрушения при изготовлении и эксплуатации. Поверхностная прочность (осыпаемость) – сопротивление истирающему действию струи металла при заливке, Пластичность – способность воспринимать очертание модели и сохранять полученную форму, Податливость – способность смеси сокращаться в объеме под действием усадки сплава. Текучесть – способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика. Термохимическая устойчивость или непригарность – способность выдерживать высокую температуру сплава без оплавления или химического с ним взаимодействия. Негигроскопичность – способность после сушки не поглощать влагу из воздуха. Долговечность – способность сохранять свои свойства при многократном использовании. По характеру использования различают облицовочные, наполнительные и единые смеси. Облицовочная – используется для изготовления рабочего слоя формы. Содержит повышенное количество исходных формовочных материалов и имеет высокие физико- механические свойства. Наполнительная – используется для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной смеси. Приготавливается путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формовочных материалов. Облицовочная и наполнительная смеси необходимы для изготовления крупных и сложных отливок. Единая – применяется одновременно в качестве облицовочной и наполнительной. Используют при машинной формовке и на автоматических линиях в серийном и массовом производстве. Изготавливается из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей способностью для обеспечения долговечности. Приготовление формовочных смесей Сначала подготавливают песок, глину и другие исходные материалы. Песок сушат и просеивают. Глину сушат, размельчают, размалывают в шаровых мельницах или бегунах и просеивают. Аналогично получают угольный порошок. Подготавливают оборотную смесь. Оборотную смесь после выбивки из опок разминают на гладких валках, очищают от металлических частиц в магнитном сепараторе и просеивают. Приготовление формовочной смеси включает несколько операций: перемешивание компонентов смеси, увлажнение и разрыхление. Перемешивание осуществляется в смесителях-бегунах с вертикальными или горизонтальными катками. Песок, глину, воду и другие составляющие загружают при помощи дозатора, перемешивание осуществляется под действием катков и плужков, подающих смесь под катки. Готовая смесь выдерживается в бункерах-отстойниках в течение 2…5 часов, для распределения влаги и образования водных оболочек вокруг глинистых частиц. Готовую смесь разрыхляют в специальных устройствах и подают на формовку. Стержневая смесь Стержневые смеси соответствуют условиям технологического процесса изготовления литейных стержней, которые испытывают тепловые и механические воздействия. Они должны иметь боле высокие огнеупорность, газопроницаемость, податливость, легко выбиваться из отливки. Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться растяжению или расплавлению под действием температуры расплавленного металла. Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы (песок способствует ее повышению). В зависимости от способа изготовления стержней смеси разделяют: на смеси с отвердением стержней тепловой сушкой в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие; жидкие холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом. Приготовление стержневых смесей осуществляется перемешиванием компонентов в течение 5…12 минут с последующим выстаиванием в бункерах. В современном литейном производстве изготовление смесей осуществляется на автоматических участках. ^ Модельный комплект Модельный комплект – приспособления, включающие литейную модель, модели литниковой системы, стержневые ящики, модельные плиты, контрольные и сборочные шаблоны. ^ Литейная модель – приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующий конфигурации и размерам отливки. Применяют модели разъемные и неразъемные, деревянные, металлические и пластмассовые. Размеры модели больше размеров отливки на величину линейной усадки сплава. Модели деревянные (сосна, бук, ясень), лучше изготавливать не из целого куска, а склеивать из отдельных брусочков с разным направлением волокон, для предотвращения коробления. Достоинства: дешевизна, простота изготовления, малый вес. Недостаток: недолговечность. Для лучшего удаления модели из формы ее окрашивают: чугун – красный, сталь – синий. Металлические модели характеризуются большей долговечностью, точностью и чистой рабочей поверхностью. Изготавливаются из алюминиевых сплавов – легкие, не окисляются, хорошо обрабатываются. Для уменьшения массы модели делают пустотелыми с ребрами жесткости. Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются короблению, имеют малую массу. ^ Стержневой ящик – формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси. Обеспечивают равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Изготавливают из тех же материалов, что и модели. Могут быть разъемными и неразъемными (вытряхными), а иногда с нагревателями. Изготовление стержней может осуществляться в ручную и на специальных стержневых машинах. ^ Модельные плиты формируют разъем литейной формы, на них закрепляют части модели. Используют для изготовления опочных и безопочных полуформ. Для машинной формовки применяют координатные модельные плиты и плиты со сменными вкладышами (металлическая рамка плюс металлические или деревянные вкладыши). ^ Изготовление литейных форм Основными операциями изготовления литейных форм являются: уплотнение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы; извлечение модели из формы; отделка и сборка формы. Формы изготавливаются вручную, на формовочных машинах и на автоматических линиях. ^ Ручная формовка применяется для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, в ремонтном производстве, для крупных отливок массой 200…300 тонн. Приемы ручной формовки: в парных опоках по разъемной модели; формовка шаблонами; формовка в кессонах. Формовка шаблонами применяется для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения в единичном производстве Шаблон – профильная доска. Изготовление формы для шлаковой чаши (рис. 5.4.а.) показано на рис. 5.4.
Рис.5.4. Шаблонная формовка В уплотненной формовочной смеси вращением шаблона 1, закрепленного на шпинделе 2 при помощи серьги 3, оформляют наружную поверхность отливки (рис. 5.4.в.) и используют ее как модель для формовки в опоке верхней полуформы 6 (рис. 5.4.г). Снимают серьгу с шаблоном, плоскость разъема покрывают разделительным слоем сухого кварцевого песка, устанавливают модели литниковой системы, опоку, засыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Затем снимают верхнюю полуформу. В подпятник 7 устанавливают шпиндель с шаблоном 4, которым оформляют нижнюю полуформу, сжимая слой смеси, равный толщине стенки отливки (рис. 5.4.д). Снимают шаблон, удаляют шпиндель, отделывают болван и устанавливают верхнюю полуформу (рис. 5.4.е). В готовую литейную форму заливают расплавленный металл Формовка в кессонах. Формовкой в кессонах получают крупные отливки массой до 200 тонн. Кессон – железобетонная яма, расположенная ниже уровня пола цеха, водонепроницаемая для грунтовых вод. Механизированный кессон имеет две подвижные и две неподвижные стенки из чугунных плит. Дно из полых плит, которые можно продувать (для ускорения охлаждения отливок) и кессона. Кессон имеет механизм для передвижения стенок и приспособлен для установки и закрепления верхней полуформы. Машинная формовка Используется в массовом и серийном производстве, а также для мелких серий и отдельных отливок. Повышается производительность труда, улучшается качество форм и отливок, снижается брак, облегчаются условия работы. По характеру уплотнения различают машины: прессовые, встряхивающие и другие. Уплотнение прессованием может осуществляться по различным схемам, выбор которой зависит от размеров формы моделей, степени и равномерности уплотнения и других условий. В машинах с верхним уплотнением (рис. 5.5.а) уплотняющее давление действует сверху. Используют наполнительную рамку. При подаче сжатого воздуха в нижнюю часть цилиндра 1 прессовый поршень 2, стол 3 с прикрепленной к нему модельной плитой 4 с моделью поднимается. Прессовая колодка 7, закрепленная на траверсе 8 входит в наполнительную рамку 6 и уплотняет формовочную смесь в опоке 5. После прессования стол с модельной оснасткой опускают в исходное положение. Рис. 5.5. Схемы способов уплотнения литейных форм при машинной формовке а – прессованием; б - встряхиванием У машин с нижним прессованием формовочная смесь уплотняется самой моделью и модельной плитой. Уплотнение встряхиванием происходит в результате многократно повторяющихся встряхиваний (рис. 5.5.б). Под действием сжатого воздуха, подаваемого в нижнюю часть цилиндра 1, встряхивающий поршень 2 и стол с закрепленной на нем модельной плитой 4 с моделью поднимается на 30…100 мм до выпускного отверстия, затем падает. Формовочная смесь в опоке 5 и наполнительной рамке 6 уплотняется в результате появления инерционных сил. Способ характеризуется неравномерностью уплотнения, уплотнение верхних слоев достигается допрессовкой. Вакуумная формовка. Модельная плита имеет вакуумную полость. В модели имеются сквозные отверстия диаметром 0,5…1 мм, совпадающие с отверстиями в плите. Модельную плиту с моделью закрывают нагретой полимерной пленкой. В воздушной коробке насосами создается вакуум 40…50 кПа. Затем устанавливается опока с сухим кварцевым песком, который уплотняется с помощью вибраций. На верхнюю поверхность помещают разогретую пленку, плотно прилегающую к опоке. Полуформу снимают с модели. При заливке металла пленка сгорает, образуя противопригарное покрытие. Уплотнение пескометом осуществляется рабочим органом пескомета – метательной головкой. Формовочная смесь подается в головку непрерывно. Пескомет обеспечивает засыпку смеси и ее уплотнение. При вращении ковша (1000…1500 мин –1) формовочная смесь выбрасывается в опоку со скоростью 30…60 м/с. Метательная головка может перемещаться над опокой. Пескомет – высокопроизводительная формовочная машина, его применяют при изготовлении крупных отливок в опоках и кессонах. Безопочная автоматическая формовка Используется при изготовлении форм для мелких отливок из чугуна и стали в серийном и массовом производстве. Изготовление литейных форм осуществляется на высокопроизводительных пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Изготовление безопочных литейных форм Формовочная камера заполняется смесью с помощью сжатого воздуха из головки 2. Уплотнение осуществляется при перемещении модельной плиты 1 плунжером 4. После уплотнения поворотная модельная плита 3 отходит влево и поворачивается в горизонтальное положение. Полуформа перемещается плунжером 4 до соприкосновения с предыдущим комом, образуя полость 5. Затем производят заливку металла из ковша 6. После затвердевания и охлаждения отливок, формы подаются на выбивную решетку, где отливки 7 освобождаются от формовочной смеси. Изготовление стержней Изготовление стержней осуществляется вручную или на специальных стержневых машинах из стержневых смесей. Изготовление стержней включает операции: формовка сырого стержня, сушка, окраска сухого стержня. Если стержень состоит из нескольких частей, то после сушки их склеивают. Ручная формовка осуществляется в стержневых ящиках. В готовых стержнях выполняют вентиляционные каналы. Для придания стержням необходимой прочности используются арматурные каркасы из стальной проволоки или литого чугуна. Готовые стержни подвергаются сушке при температуре 200…230 0 С, для увеличения газопроницаемости и прочности. Во время сушки из стержня удаляется влага, частично или полностью выгорают органические примеси Часто стержни изготавливают на пескодувных машинах. При использовании смесей с синтетическими смолами, стержни изготавливают в нагреваемой оснастке. Изготовление стержней из жидкостекольных смесей состоит в химическом отверждении жидкого стекла путем продувки стержня углекислым газом. ЛЕКЦИЯ 6 Изготовление отливок в песчаных формах (продолжение) ^ Специальные способы литья Изготовление отливок в песчаных формах Приготовление расплава Приготовление литейных сплавов связано с плавлением различных материалов. Для получения заданного химического состава и определенных свойств, в сплав в жидком или твердом состоянии вводят специальные легирующие элементы: хром, никель, марганец, титан и др. Для плавления чугуна и стали, в качестве исходных материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства, а также для понижения температуры плавления и образования шлаков – флюсы (известняк). Чугуны, в основном, выплавляют в вагранках. В последнее время развивается плавка в электрических печах, а также дуплекс-процесс, в особенности, вариант вагранка – индукционная печь. Плавку стали ведут в электродуговых, индукционных и плазменно-индукционных печах. Для плавления цветных металлов используют как первичные, полученные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цветного лома, металлы и сплавы, а также – флюсы (хлористые и фтористые соли). Для плавления применяют индукционные печи промышленной частоты, электрические печи сопротивления. Плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов. Сборка и заливка литейной формы Сборка литейной формы включает: установку нижней полуформы; установку стержней, устойчивое положение которых обеспечивается стержневыми знаками; контроль отклонения размеров основных полостей формы; установку верхней полуформы по центрирующим штырям. Заливка форм расплавленным металлом осуществляется из ковшей чайникового, барабанного и других типов. Важное значение имеет температура расплавленного металла. Целесообразно назначать ее на 100…150 0 C выше температуры плавления:: низкая температура увеличивает опасность незаполнения формы, захвата воздуха, ухудшения питания отливок; при высокой температуре металл больше насыщен газами, сильнее окисляется, возможен пригар на поверхности отливки. Заливку ведут непрерывно до полного заполнения литниковой чаши. Охлаждение, выбивка и очистка отливок Охлаждение отливок до температуры выбивки длится от нескольких минут (для небольших тонкостенных отливок) до нескольких суток и недель (для крупных толстостенных отливок). Для сокращения продолжительности охлаждения используют методы принудительного охлаждения: а) обдувают воздухом, б) при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду. Выбивка отливки – процесс удаления затвердевшей и охлажденной до определенной температуры отливки из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Осуществляют на специальных выбивных установках. Форма выталкивается из опоки выталкивателем на виброжелоб, по которому направляется на выбивную решетку, где отливки освобождаются от формовочной смеси. Выбивку стержней осуществляют вибрационно-пневматическими и гидравлическими устройствами. Обрубка отливок – процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ. Осуществляется пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, при помощи газовой резки и на прессах. После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие заливы, остатки выпоров и литников. Выполняют зачистку маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневматическими зубилами. Очистка отливок – процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок. Осуществляется в галтовочных барабанах периодического или непрерывного действия (для мелких отливок), в гидропескоструйных и дробеметных камерах, а также химической или электрохимической обработкой. Специальные способы литья В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие. Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключают ее, что обеспечивает высокую производительность труда. Каждый специальный способ литья имеет свои особенности, определяющие области применения.

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, необходимый 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.3.1, а), направление волокон не способствует повышению прочности зубьев. При изготовлении заготовки штамповкой из полосы (рис.3.1,6) или осадкой из прутка (рис.3.1, в) можно получить более благоприятное расположение волокон.

Сварные заготовки изготавливают различными способами сварки-от электродуговой до электрошлаковой. В ряде случаев*сварка 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.

Технологические характеристики типовых заготовительных процессов

5.1 Виды заготовок и их характеристики

5.2 Методы получения заготовок

5.3 Выбор заготовки и ее проектирование

5.4 Припуски на механическую обработку

5.5 Факторы, влияющие на величину припусков

5.5 Определение промежуточных размеров в соответствии с маршрутом обработки

Заготовка – предмет производства, из которого путем изменения размеров, формы, качества поверхности получается готовая деталь. От правильного выбора заготовки в значительной мере зависят общая трудоемкость и себестоимость изготовления детали.

В автомобильной и тракторной промышленности применяются следующие виды заготовок:

– отливки из чугуна, стали и цветных металлов;

– поковки и штамповки из стали и некоторых цветных сплавов;

– сортовой прокат из стали и цветных металлов (круг, квадрат, шестигранник, профильный, листовой);

– штампосварные заготовки из стального проката и других металлов (являются наиболее целесообразными и экономичными);

– штамповки и отливки из пластмасс и других неметаллических материалов;

– металлокерамические заготовки, получаемые методом порошковой металлургии.

Механические свойства отливок, с одной стороны, поковок и штамповок с другой, значительно отличаются одна относительно другой, поэтому уже при проектировании машин вид заготовки каждой ее детали определяется, как правило, конструктором. Однако делать это он должен по согласованию с технологами механических и заготовительных цехов. В ряде случаев, когда можно применять различные виды заготовок (например, поковки, штамповки или сортовой металл), наивыгоднейшее решение получают путем сопоставления конкурирующих вариантов.

Литые заготовки. Применяются различные методы получения отливок. Отливки служат заготовками для фасонных деталей. Из чугуна отливают картеры, коробки, корпуса подшипников, кронштейны маховики, шкивы, фланцы и т.п. При более высоких требованиях к механическим свойствам деталей аналогичные отливки выполняют из стали. Из алюминиевых сплавов отливают блоки цилиндров, картеры, коробки, поршни.

Основные способы получения отливок:

– литье в песчаные формы (ручная или машинная формовка), точность отливок 15-17 квалитет, шероховатость поверхностей R Z 320-160 мкм;

– литье в оболочковые формы – метод получения точных и качественных мелких и средних отливок из чугуна и стали, точность отливок 14 квалитет, данный способ целесообразно применять в серийном и массовом производстве;

– литье по выплавляемым моделям применяют для получения мелких отливок сложной конфигурации, обеспечивает высокую точность 11-12 квалитет и шероховатость поверхностей R Z 40-10 мкм, поверхности деталей либо совсем не обрабатывают, либо только шлифуют;

– литье в кокиль (металлические формы) обеспечивает получение отливок точности 12-15 квалитета и шероховатости поверхностей R Z 160-80 мкм;

– литье под давлением применяют для получения мелких отливок сложной формы из цветных сплавов при крупномасштабном производстве, отливки выполняются с точностью 9-11 квалитет и шероховатость R Z 80-20 мкм;

– центробежное литье применяют в основном для получения заготовок, имеющих форму тел вращения (цилиндры, стаканы, кольца), точность 12-14 квалитет и шероховатость R Z 40-20 мкм.

Заготовки, получаемые обработкой давлением . К методам получения исходных заготовок обработкой давлением относятся свободная ковка, горячая и холодная штамповка. Механические свойства кованных и штампованных заготовок выше свойств заготовок, получаемых литьем. Это основной вид заготовок для изготовления ответственных деталей из стали и некоторых цветных сплавов.

Получение заготовок методом ковки применяют в основном в условиях индивидуального или мелкосерийного производства, когда экономически нецелесообразно изготовлять дорогие штампы.

Для уменьшения расхода металла при ковке заготовок применяют кольца и подкладные штампы.

В условиях серийного и массового производства мелкие и средние стальные заготовки получают методом штамповки. Достоинства этого метода: значительная производительность, резкое уменьшение величины припусков по сравнению со свободной ковкой.

В зависимости от применяемого оборудования штамповку подразделяют на штамповку на молотах, прессах, горизонтально-ковочных машинах и специальных машинах. Штамповку производят как горячем, так и в холодном состоянии.

Штамповка в холодном состоянии позволяет получить заготовку с высокими физико-механическими свойствами, но этот метод очень энергоемок и применяется очень редко.

Заготовки из проката. Прокат применяют в тех случаях, когда конфигурация детали близко соответствует какому-либо виду сортового материала (круглого, шестигранного, квадратного, прямоугольного). Широко используют также горячекатаные бесшовные трубы различной толщины и диаметра, а также профильный прокат (угловая сталь, швеллеры, балки).

Прокат выпускают горячекатаный и калиброванный холоднотянутый. При выборе размера прокатного материала следует пользоваться стандартами на материал, учитывая конфигурацию детали, точность выполняемых размеров и необходимость экономии металла. Круглый горячекатаный сортовой материал повышенной и нормальной точности выпускают по ГОСТ 2590-2006, круглый калиброванный – по ГОСТ 7417-75. С целью приближения формы заготовки к конфигурации деталей типа валов и осей целесообразно применение в условиях крупносерийного и массового производства проката переменного поперечного сечения (периодического проката).

Комбинированные заготовки . При изготовлении заготовок сложной конфигурации значительный экономический эффект дает изготовление отдельных элементов заготовки прогрессивными методами (штамповка, отливка, сортовой и фасонный прокат) с последующим соединением этих элементов сваркой или другими способами. В сельскохозяйственных машинах сварку применяют: при изготовлении рам, колес, и т.д.

Заготовки из металлокерамики . Металлокерамические материалы, получаемые путем прессования порошковой смеси с последующим спеканием, пористы, поэтому их применение эффективно при изготовлении подшипниковых втулок. Из металлокерамики изготавливают также накладки на тормозные колодки и другие фрикционные детали, имеющие высокий коэффициент трения (0,26-0,32 по стали всухую и 0,10-0,12 при работе в масле).

Порошковая металлургия включает следующие этапы:

– подготовка порошков исходных материалов (медь, вольфрам, графит и др.);

– прессование заготовок в специальных прессформах. Если необходимо получить максимально плотную деталь, то уплотнение производят с предварительным нагревом до температуры спекания, но ниже точки плавления основного компонента.

Порошок спекают в газовых или электрических печах в среде водорода или других защитных газов. Если деталь работает в условиях значительного трения, то ее пропитывают маслом или в состав добавляют графитовый порошок. Для получения точных заготовок после спекания их калибруют.

Выбор заготовки и ее проектирование . Важная задача при изготовлении заготовок приближение их по форме к готовым деталям.

На выбор вида заготовки и метода ее получения влияют материал детали, ее размеры и конструктивные формы, годовой выпуск деталей и другие факторы.

При разработке процессов изготовления деталей применяют два основных направления:

– получение заготовок, наиболее приближенных по форме к размерам готовой детали, когда на заготовительные процессы приходится основная трудоемкость;

– получение заготовок с большими припусками, т.е. основная трудоемкость приходится на цех механической обработки.

Проектирование заготовок выполняется в следующей последовательности:

– определяется вид исходной заготовки (прокат, штамповка, отливка);

– разрабатывается технологический маршрут механической обработки заготовки;

– определяется (рассчитывается) операционный и общий припуски на все обрабатываемые поверхности;

– на чертеже детали вычерчиваются общие припуски на обработку каждой поверхности;

– назначаются предварительные размеры заготовок и допуски на них;

– корректируются размеры заготовки с учетом метода ее изготовления, устанавливаются напуски, формовочные уклоны, радиусы и т.д.

Допуски и припуски на механическую обработку на чугунные и стальные заготовки, отливаемые в песчаные формы, регламентируются ГОСТ 26645-89 «Отливки из металлов и сплавов».

Для выбранного способа литья по таблицам определяют класс точности размеров, класс точности масс и ряды припусков.

Определяют допуски на основные размеры отливки и основные припуски. Для определения дополнительного припуска определяют степень коробления (отношение наименьшего габаритного размера отливки к наибольшему). Эскиз отливки представлен на рисунке 6.

Рисунок 6

Для диаметральных размеров размеры заготовки определяется по формулам:

d= d N + (Z 1 + Z 2)·2 ± Т (5.1)

D= D N - (Z 1 + Z 2)·2 ± Т (5.2)

где Z 1 – основной припуск

Z 2 – дополнительный припуск;

Т – допуск на размер (симметричный).

Пример записи точности отливки 9-9-5-3 ГОСТ 26645-85, где 9– точность размера, 9 – точность массы, 5 – степень коробления, 3 – ряд припусков.

Для изготовления валов используется прокат стальной горячекатаный круглый по ГОСТ 2590-2006 диаметром от 5 до 270 мм, трех степеней точности: А – высокой точности; Б – повышенной точности; В – обычной точности (рисунок 7).

Рисунок 7

Прокат стальной калиброванный круглый по ГОСТ 7417-75, диаметром от 3 до 100 мм с полем допуска h9, h10, h11 и h12 (рисунок 8):

Рисунок 8

Если вал имеет большие перепады ступеней, заготовку получают ковкой или штамповкой. Поковка по ГОСТ 7829-70 из углеродистой легированной стали, изготовляемая свободной ковкой на молотах (рисунок 9):

Рисунок 9

Размеры заготовки определяется по формуле:

d 1 = d N + Z 1 +,

где Z 1 – припуск на размер;

Т 1 – допуск на размер (допуск симметричный).

Поковки по ГОСТ 7062-90 применимы для заготовок больших размеров, изготавливаемых ковкой на прессах.

При ковке заготовок желательно, чтобы она имела простую симметричную форму и следует избегать пересечения цилиндрических элементов между собой.

Штампованные заготовки выполняются в соответствии с ГОСТ 7505-89 «Поковки стальные штампованные». Стандарт устанавливает величины припусков, допуски размеров, отклонений формы и наименьшие радиусы закругления углов.

Припуски и допуски устанавливают в зависимости от массы и размеров поковки, группы стали, степени сложности, класса точности поковки, шероховатости обработанной поверхности детали (рисунок 10).

Шероховатость поверхности штамповок – R Z 320-80 мкм. Если после штамповки произвести чеканку, то можно выдержать точность отдельных размеров до 0,02…0,05 мм.

Рисунок 10

Геометрическая форма заготовки должна обеспечивать возможность свободной выемки из штампа. Для этой цели предусмотрены уклоны поверхности.

Выемки и углубления в заготовке можно выполнять только в направлении движения штампа. Недопустимы узкие и длинные выступы в плоскости разъема штампа или перпендикулярные к ним. Боковые поверхности должны иметь штамповочные уклоны. Переходы с одной поверхности на другую должны иметь закругления, размеры углов и радиусы закруглений устанавливаются стандартами. Хвостовики с конической формой затрудняют штамповку, поэтому их рекомендуется делать цилиндрическими.

Припуски на механическую обработку. Всякая заготовка, предназначенная для дальнейшей механической обработки, изготавливается с припуском на размер готовой детали. Припуск представляет собой излишек материала, необходимый для получения окончательных размеров и заданного класса шероховатости поверхностей деталей, он снимается на станках режущими инструментами. Поверхности детали, не подвергающиеся обработке, припусков не имеют.

Разность размеров заготовки и окончательно обработанной детали определяет величину припуска, т.е. слоя, который должен быть снят при механической обработке.

Припуски делятся на общие и межоперационные.

Общий припуск на обработку – слой металла, подлежащий удалению при механической обработке заготовки для получения заданных чертежом и техническими условиями формы, размеров и качества обработанной поверхности. Межоперационный припуск – слой металла, удаляемый при выполнении одной технологической операции. Величина припуска обычно дается «на сторону», т.е. указывается толщина слоя, снимаемого на данной поверхности.

Общий припуск на обработку представляет собой сумму всех операционных припусков.

Припуски могут быть симметричные и ассиметричные, т.е. расположенные по отношению к оси заготовки симметрично и ассиметрично. Симметричные припуски могут быть у наружных и внутренних поверхностей тел вращения; они могут быть также у противолежащих плоских поверхностей, обрабатываемых параллельно, одновременно.

Припуск должен иметь размеры, обеспечивающие выполнение необходимой для данной детали механической обработки при удовлетворении установленных требований к шероховатости и качеству поверхности металла и точности размеров деталей при наименьшем расходе материала и наименьшей себестоимости детали. Такой припуск является оптимальным. Целесообразно назначать припуск, который можно убрать за один проход. На станках средней мощности за один проход можно снимать припуск до 6 мм на сторону. При излишних припусках станки должны работать с большим напряжением, увеличивается их износ и затраты на ремонт; повышаются затраты на режущий инструмент, т.к. увеличивается время работы инструмента, а, значит, увеличивается его расход; увеличение глубины резания требует повышения мощности станка, что в результате ведет к увеличению расхода электроэнергии.

Факторы, влияющие на величину припусков. Величины припусков на обработку и допуски на размеры заготовки зависят от ряда факторов, степень влияния которых различна. К числу основных факторов относятся следующие:

– материал заготовки;

– конфигурация и размеры заготовки;

– вид заготовки и способ ее изготовления;

– требования в отношении механической обработки;

– технические условия в отношении качества и класса шероховатости поверхности и точности размера.

Материал заготовки . У заготовок, получаемых литьем, поверхностный слой имеет твердую корку. Для нормальной работы инструмента необходимо, чтобы глубина резания была больше толщины корки отливки. Толщина корки бывает различной, она зависит от материала, размеров отливки и способов литья; для отливок из чугуна – от 1 до 2 мм; для стальных отливок – от 1 до 3 мм.

Поковки и штамповки могут быть из легированной или углеродистой стали; поковки изготовляются из слитка или проката. При изготовлении поковок на них образуется окалина. Для удаления этого слоя при обработке углеродистых сталей часто оказывается достаточной глубина резания, равная 1,5 мм; для легированных сталей глубина резания должна быть 2–4 мм.

Поверхностный слой у штамповок обезуглероживается, и при обработке его необходимо удалить. Толщина этого слоя у штамповок из легированных сталей до 0,5 мм; у штамповок из углеродистых сталей 0,5–1,0 мм в зависимости от конфигурации и размеров детали и других факторов.

Конфигурация и размеры заготовки . Заготовки сложной конфигурации получить свободной ковкой затруднительно, поэтому ради упрощения формы заготовки иногда оказывается необходимым увеличивать припуски на обработку.

В штамповках сложной конфигурации затруднено течение материала, поэтому для таких штамповок также необходимо увеличивать припуски.

В отливках сложной конфигурации в целях более равномерного остывания металла необходимо делать плавные, постепенные переходы от тонких стенок толстым, что также вызывает необходимость увеличения припуска. При изготовлении крупных отливок необходимо учитывать усадку.

Вид заготовки и способ ее изготовления . Заготовки как указывалось, бывают в виде отливок, поковок, штамповок и проката. В зависимости от вида заготовки и способа ее изготовления величины припусков и допуски на размеры заготовки различны. Так, для литой детали, изготовленной ручной формовкой, припуск больше, чем металлических формах. Наиболее точными, следовательно, с наименьшими припусками получаются отливки при литье в оболочковые и металлические формы, при литье под давлением, по выплавляемым моделям. Если сравнивать припуски поковок и штамповок для одних и тех же деталей, то можно убедиться, что припуски у поковок больше, чем у штамповок. В заготовках из проката припуски меньше, чем в заготовках, получаемых литьем, ковкой или штамповкой.

Требования в отношении механической обработки . В соответствии с требованиями к шероховатости поверхности и точности размеров детали применяется тот или иной способ механической обработки. Для каждой промежуточной операции механической обработки необходимо оставлять припуск, снимаемый режущим инструментом за один или несколько проходов. Следовательно, общий припуск находится в зависимости от способов механической обработки, требующейся для изготовления детали по техническим условиям.

Технические условия на качество и точность поверхностей . Чем выше требования, предъявляемы к детали в соответствии с техническими требованиями, тем больше должна быть величина припуска. Если поверхность должна быть гладкой, то необходимо давать припуск, позволяющий после черновой обработки произвести и чистовую. Если размеры должны быть выполнены точно в пределах установленных допусков, то припуск должен обеспечить возможность достижения необходимой точности и класса шероховатости поверхности, что должно быть учтено при определении величины припуска. При этом необходимо предусмотреть слой металла, компенсирующий погрешности формы, возникающие в результате предшествующей обработки (особенно термической), а также погрешность установки детали на данной операции.

Определение промежуточных размеров в соответствии с маршрутом обработки. Нормативные припуски устанавливаются соответствующими стандартами. В производственных условиях размеры припусков устанавливают на основании опыта, пользуясь практическими данными в зависимости от веса (массы) и габаритных размеров деталей, конструктивных форм и размеров, необходимой точности и класса чистоты обработки. Многие заводы, научно-исследовательские и проектные институты имеют свои нормативные таблицы припусков, разработанные ими на основании длительного опыта применительно к характеру своего производства.

В машиностроении широко применяют опытно-статистический метод установления припусков на обработку. При этом общие и промежуточные припуски берут по таблицам, которые составляют на основе обобщения производственных данных передовых заводов. Недостаток этого метода заключается в том, что припуски назначают без учета конкретных условий построения технологических процессов.

Расчетно-аналитический метод определения припусков, заключается в анализе различных условий обработки и установлении основных факторов, определяющих промежуточный припуск (факторы, влияющие на припуски предшествующего и выполненного переходов) технологического процесса обработки поверхности. Значение припуска определяется методом дифференцированного расчета по элементам, составляющим припуск с учетом погрешности обработки на предшествующем и данном технологических переходах. Данный метод был предложен профессором В.М. Кованом,

Симметричный припуск на диаметральные размеры определяется по формуле:

2Z b min = 2[(H a + Т a) +].

Симметричный припуск на две противоположные параллельные плоские поверхности:

2Z b min = 2[(H a + Т a) +()].

Ассиметричный припуск на одну из противоположных параллельных плоских поверхностей:

Z b min = (H a + Т a) +(),

где Z b min – минимальный припуск на выполняемый переход на сторону;

H a – величина микронеровностей от предыдущей обработки;

Т a – величина дефектного поверхностного слоя, оставшегося от предыдущей обработки;

ρ а – суммарное значение пространственных отклонений от предыдущей обработки;

ε b – погрешность установки заготовки при выполнении операции

Расчетный метод из-за его сложности большого распространения не получил, хотя и представляет определенный интерес с методической точки зрения.

Для удобства расчета располагают операционные припуски и допуски на различных стадиях обработки в виде схем.

Когда последовательность и способ обработки каждой поверхности установлены, необходимо определить величины промежуточных припусков и промежуточные размеры заготовки по мере ее обработки от перехода к переходу. В итоге определяются размеры заготовки более обосновано, то есть с учетом обработки, которой она будет подвергаться.

Для обработки наружной поверхности (точность обработки вала - 7-й квалитет, шероховатость R a 1,25 мкм) схема расположения промежуточных размеров представлена на рисунке 10.

Схема расположения промежуточных размеров при обработке отверстия (точность обработки - 7-й квалитет) представлена на рисунке 11.

Схема расположения промежуточных размеров при обработке торцовой поверхности (точность обработки – 11-й квалитет, шероховатость R a 2,5 мкм) представлена на рисунке 12.

Т 3 – допуск после чистового точения;

z 3 – припуск на чистовое точение;

T 4 – допуск после чернового точения;

T 5 – допуск заготовки

Рисунок 10 – Схема расположения промежуточных размеров при обработке наружных поверхностей

Т 1 – допуск размера, заданный чертежом;

z 1 – припуск на чистовое шлифование;

Т 2 – допуск после предварительного шлифования;

z 2 – припуск на предварительное шлифование;

Т 3 – допуск после протягивания;

z 3 – припуск на протягивание;

T 4 – допуск поле растачивания;

z 4 – припуск на растачивание;

T 5 – допуск заготовки

Рисунок 11 - Схема расположения промежуточных размеров при обработке внутренних поверхностей

Т 1 – допуск, заданный чертежом;

z 1 – припуск на предварительное шлифование;

Т 2 – допуск после чистового точения;

z 2 – припуск на чистовое точение;

Т 3 – допуск после чернового точения;

z 3 – припуск на черновое точение;

T 4 – допуск заготовки

Рисунок 12 - Схема расположения промежуточных размеров при обработке торцовых поверхностей