КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕХНОЛОГИЯ ТЯЖЁЛОГО АТОМНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ»

Тема I основные направления развития технологии тяжелого машиностроения

ОСОБЕННОСТИ ТЯЖЕЛОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Тяжелое машиностроение характеризуется широкой номенклатурой продукции и значительными, а подчас и уникальными размерами и весом как отдельных деталей, так и собранных машин.

Изготовление продукции носит в основном единичный и отчасти мелкосерийный характер. Цикл изготовления длительный, так как затраты времени, связанные с производством крупных деталей, составляют сотни часов. Наличие большого количества различных объектов, находящихся одновременно в производстве, затрудняет непрерывное движение деталей и приводит к вынужденному пролеживанию их в ожидании тех или иных операций. Кроме того, на длительность цикла влияет необходимость проведения подготовки производства каждой новой машины, начиная с разработки чертежей и кончая изготовлением моделей и хотя бы минимального количества оснастки.

Технологический процесс строится на принципе концентрации операций. Стремление к концентрации технологического процесса диктуется спецификой тяжелого машиностроения. Затрата вспомогательного времени на установку, выверку и закрепление деталей, имеющих значительные размеры и вес, составляет немалую долю штучного времени. С другой стороны, при штучном изготовлении установка мелких и средних деталей производится в основном при помощи универсальных приспособлений и устройств. Естественно, что в этих условиях уменьшение числа установок, как в первом, так и во втором случаях, прямо сказывается на сокращении вспомогательного времени. Концентрация операций также положительно влияет на сокращение длительности цикла производства за счет уменьшения межоперационного пролеживания, упрощения планирования и распределения работ по станкам.

Необходимость обработки разнообразных деталей предопределяет широкую универсальность оборудования. Изготовление деталей весом в десятки и сотни тонн требует применения уникальных и переносных станков, представляющих характерную особенность данной отрасли машиностроения.

Относительно редкая повторяемость деталей и узлов создает необходимость использования главным образом универсальной и нормализованной оснастки. Значительная стоимость и длительность изготовления крупногабаритной специальной оснастки в свою очередь предъявляет особые требования к отработке технологичности конструкций, выполнением которых создаются возможности в ряде случаев осуществлять технологический процесс за счет использования универсальной и нормализованной оснастки. Таким образом, может иметь место влияние оснастки на конструктивные формы деталей.

Общие задачи, возникающие при разработке технологии, сводятся к следующему:

1) к достижению заданной формы детали, точности размеров и шероховатости поверхности, а в некоторых случаях и к приданию поверхностному слою соответствующих физико-механических свойств;

2) к обеспечению высокой производительности технологических процессов за счет внедрения прогрессивных методов обработки, совершенствования режущего инструмента, повышения оснащенности, механизации, уменьшения вспомогательного времени и сокращения припусков на обработку.

Наряду с общими принципами и приемами, технология тяжелого машиностроения имеет и свои особенности.

1. Стремление к уменьшению доли занятости уникального оборудования в выпуске продукции, как основного условия повышения пропускной способности цехов и предприятий.

2. Совместная окончательная обработка деталей после сборки их в узел. Этот прием повышает точность обработки и обычно сокращает затраты времени на обработку и сборку.

3. Одновременная обработка нескольких деталей на станке. В этом случае у всех деталей мы получаем размеры с одинаковыми отклонениями. Например, фрезерование за одну установку разъемов партии крупных корпусов подшипников.

4. Широкое использование переносных станков, позволяющее без переустановки детали производить обработку двумя или несколькими станками, из которых только один является стационарным.

5. Применение накладных переносных станков, которые устанавливаются непосредственно на обрабатываемую деталь, используя ее как фундамент, и производят обработку отдельных поверхностей.

6. Выполнение промежуточной сборки под растачивание на зажимной плите станка, так как после соединения нескольких элементов вес детали превосходит грузоподъемность кранов.

7. Использование компенсаторов для достижения заданной точности. Хотя, строго говоря, компенсатор является конструктивным элементом, однако в условиях тяжелого машиностроения, учитывая особую сложность получения и измерения значительных размеров, наличие компенсаторов следует рассматривать как одно из основных условий технологичности конструкции.

8. Оптические и косвенные способы замеров больших размеров с использованием вспомогательных измерительных баз.

9. Осуществление в некоторых случаях ответственных посадок второго класса точности не по чертежным размерам, а по фактически полученным размерам на основной детали.

10. Стремление использовать в условиях тяжелого машиностроения методы серийного производства, как источника повышения уровня технологии.

ПОВЫШЕНИЕ СЕРИЙНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА

Имея ограниченный размер выпуска изделий, неодимо находить пути совершенствования технологического процесса при установленном объеме производства. В связи с этим возникает необходимость повышения серийности производства при заданном размере выпуска.

Это осуществляется следующими путями:

1) конструктивной нормализацией и унификацией деталей и узлов;

2) организацией группового запуска изготовления деталей, узлов и машин;

3) типизацией технологических процессов, нормализацией и унификацией технологической оснастки на базе разработки типовых и групповых технологических процессов;

4) централизацией технологической подготовки в соответствующих отраслевых отделах (главного технолога, главного металлурга, а при необходимости и главного сварщика), что позволяет оказывать прямое влияние на три первых фактора.

Нормализация и унификация деталей и узлов не только характеризует уровень конструкций машин, но и прямо влияет на производственные возможности предприятия и уровень технологии.

Работы, проводимые в области унификации, создают условия для изготовления даже таких узлов, как клети, подушки, нажимные устройства по технологии, разработанной с учетом принципов серийного производства.

Групповой запуск подразумевает объединение в одном заказе нескольких одинаковых или аналогичных деталей, узлов и машин, встречающихся в различных заказах месячной, квартальной или годовой программы завода.

ТИПИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Сущность типизации технологических процессов состоит в том, что на основе предварительного изучения и анализа частных особенностей, свойственных обработке отдельных деталей, производится обобщение лучших достижений практического опыта, причем этим обобщениям придается характер технологических закономерностей, распространяемых затем на соответствующие классификационные группы.

Таким образом, осуществление типизации подразумевает необходимость классификации технологических процессов, которая обычно базируется на конструктивных и технологических признаках обрабатываемых деталей.

При рассмотрении конструкции любой машины довольно легко убедиться, что все детали можно разделить на три следующие группы.

1. Детали, общие для всех или многих машин: фланцы, шпонки, втулки, гайки, болты и другие детали этого вида обычно нормализованы.

2. Детали, отличающиеся между собой по конструктивным параметрам и размерам, но имеющие общность технологических задач: валы, зубчатые колеса и др. Такого вида детали могут быть названы деталями общего назначения.

3. Специальные детали, присущие только данному виду оборудования: станины ножниц горячей резки, барабаны мельниц, конусы засыпных аппаратов и др.

В авиационном производстве деление деталей на аналогичные группы дает следующие соотношения: стандартные и нормализованные, общие для всех машин данного класса 10—15%; типовые, общие для большинства изделий данного класса 80%; специальные, применяемые только для данной модели машины, так называемые уникальные детали 5—10%.

Работа по типизации технологических процессов ведется в трех направлениях:

1) типовые и нормальные процессы для деталей первой группы;

2) типовые процессы для деталей общего назначения;

3) технологические инструкции на отдельные операции (резьбонарезание, обработку глубоких отверстий) или элементы операций (базирование, закрепление деталей и т. п.).

Типовая технология на нормализованные детали строится на принципах серийного и крупносерийного производства с применением наиболее прогрессивных методов обработки и высокопроизводительной оснастки.

Все типоразмеры какой-либо нормали, например фланцев, делятся на ряд размерных интервалов. Затем для каждого интервала составляется типовой технологический процесс, который оформляется для нескольких типоразмеров в одной технологической карте. Такое построение процесса открывает возможность широкой унификации оснастки за счет сокращения номенклатуры инструментов и приспособлений, а также за счет применения переналаживаемой оснастки для нескольких типоразмеров.

Детали общего назначения встречаются в любой машине и имеют сходство по конструкции и по методам изготовления. Однако большая часть номенклатуры деталей рассматриваемой категории не имеет установившихся типоразмеров, что затрудняет осуществление типизации технологических процессов. Поэтому типовые технологические процессы на детали общего назначения должны создаваться в виде общих руководящих положений, действующих в пределах заранее очерченных границ. Построенные подобным образом материалы могут быть применены к любой конкретной детали.

Работа проводится в следующем порядке:

1) систематизация ранее встречавшихся конструктивных исполнений деталей, а также технологических процессов и отбор характерных представителей для составления классификации;

2) составление классификации;

3) разработка типовых технологических процессов.

В соответствии с принятой схемой классификации все детали делятся на виды, классы, группы и типы. Под видом понимается совокупность деталей, близких по форме, и соотношению размеров. Классификатор предусматривает несколько совокупностей, например пять: В — валы, оси; Д — диски, фланцы, шестерни, шкивы, шайбы; Ц — цилиндры, втулки, кольца; К — корпусные детали, плиты, кронштейны, рычаги и Р — разные детали.

Детали каждого вида делятся на классы, представляющие собой совокупность деталей, сходных по своей конфигурации, назначению и методам обработки. Каждый класс обозначается буквой, указывающей, к какому виду он относится, и двумя цифрами от 01 до 99 в порядке регистрации класса.

Классы делятся на группы еще более близких по конструктивной форме деталей, имеющих одинаковую последовательность обработки. Например, внутри класса имеются группы глухих, сквозных крышек и т. д. Группа в классификаторе обозначается двумя цифрами от 01 до 99 в порядке ее регистрации.

Группа, в свою очередь, делится на типы деталей, отличающихся только отдельными конструктивными элементами и имеющих одинаковый технологический процесс обработки. Например, внутри группы сквозных крышек могут быть следующие типы: крышки с гладким отверстием, крышки с уплотнительными канавками и т . п. Номер типа обозначается двумя цифрами от 01 до 99. Например, плоская сквозная крышка с тремя канавками будет обозначаться Д-01, 03, 09, где Д—вид «диски», 01 — класс «крышки», 03—группа «крышки сквозные», 09—тип «плоские с уплотнительными канавками».

На основании проведенной классификации деталей общего назначения создаются технологические инструкции, с указанием назначения операций, технологических баз, исполнительных размеров, межоперационных припусков, станков, приспособлений и т. д.

В единичном машиностроении разработка типовых технологических процессов на отдельные операции, так же как и на целые детали, не может быть доведена до конкретных деталей. Она выливается в форму технологических инструкций, устанавливающих: классификацию методов установки крепления и выверки деталей; применяемый при обработке инструмент и методы его установки и выверки; назначение станков; порядок выполнения контроля и т. п.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Повышение эффективности технологических процессов происходит за счет интенсификации режимов резания, расширения использования высокопроизводительных методов механической обработки (фрезерование, протягивание, накатывание резьбы и др.), сокращения вспомогательного времени.

В тяжелом машиностроении обрабатываемые поверхности крупных деталей могут достигать нескольких квадратных метров, припуски колеблются от 15 до 40 мм на сторону, вес деталей в ряде случаев ограничивает выбор скорости резания.

Стремление увеличить производительность при обработке крупных деталей за счет интенсификации процесса резания находит также свое выражение в применении более совершенных, более прогрессивных методов обработки.

Для снятия больших припусков при фрезеровании применяются специальные резцовые головки ступенчатого резания или работающие с установкой резцов по следу, позволяющие значительно увеличивать съем металла по сравнению с обычными фрезами. Принцип работы ступенчатой фрезы заключается в том, что общая глубина фрезерования распределяется между отдельными резцами, каждый резец срезает свою ступень.

Для этого вершины резцов находятся соответственно на разных расстояниях от центра фрезы. В этом случае по глубине снимается величина, равная сумме глубин, срезаемых каждым резцом, а подача фрезы за один оборот равна подаче на один зуб.

Применение ступенчатой фрезы, у которой каждый резец смещен относительно другого в осевом и радиальном направлениях, гарантирует равномерную нагрузку на резцы. Так, например, при фрезеровании ступенчатыми фрезами плоскостей станин рабочих клетей (материал сталь 35Л) применяются режимы: глубина резания 15—20 мм, подача 112—140 мм/мин. Каждый резец ступенчатой фрезы срезает неширокую, но толстую стружку. Подача на один зуб при черновом фрезеровании обычными фрезами принимается равной 0,1—0,25 мм, а при работе ступенчатыми фрезами 0,5—1,5 мм.

Уменьшение глубины резания, приходящейся на один резец, способствует снижению вибраций. Этим положением в основном и объясняется эффективность применения ступенчатых Фрез на станках, имеющих недостаточную жесткость. Резцы затачиваются отдельно и затем собираются в корпус. Заточку производят по шаблону с замером от базовой плоскости резцов.

СОКРАЩЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

 

Сложность технологического процесса, использование универсальной оснастки, размеры и вес мерительных и режущих инструментов - все это вместе взятое приводит к большим затратам вспомогательного времени, исчисляемого в ряде случаев десятками часов при выполнении одной операции.

Фактические затраты времени на установку, выверку, закрепление деталей, смену и регулировку инструмента, промеры, управление станком для различных типов станков доходят: на расточных станках до 48%; на карусельных 40%; на крупнотокарных 30—35%; на продольно-строгальных 23%. В этих условиях сокращение вспомогательного времени достигается за счет: дальнейшей концентрации технологического процесса, применения универсальных приспособлений с механизированным зажимом деталей, облегчения установки и снятия режущего инструмента, упрощения измерений и управления станком, а также повышения технологичности обрабатываемых деталей.

Особенно велик удельный вес вспомогательного времени на расточных станках. Объединение в расточной операции большого количества различных технологических переходов сопряжено часто с необходимостью нескольких перестановок деталей, перенастройки станка, сменой тяжелой оснастки и инструментов. Затраты времени, связанные с установкой деталей на зажимных плитах станков, достигают 30% штучного времени.

Иные условия создаются при использовании поворотных столов. Применение их освобождает от необходимости перестановок, повторных выверок и повторных закреплений деталей. При этом исключается целый ряд крановых операций, без которых невозможно манипулировать с крупной деталью. Таким образом, в этом случае мы сокращаем число установок, необходимое для обработки детали, и заменяем их позициями. А это значит, что изменение положения детали относительно станка происходит без ее перестановки и перезакрепления за счет использования механизмов поворота и перемещения переносного стола.

Поворотные столы имеют грузоподъемность до 100 т, и рабочую площадь 3800X5000 мм.

Эффективность применения этих столов характеризуется сокращением затрат времени на установку, выверку, закрепление и подвод Детали к инструменту на 30-60%.

Итак замена установок позициями является тем путем, следуя которому мы имеем реальную возможность сокращать затраты вспомогательного времени.

Консольное растачивание характеризуется применением коротких и жестких оправок и многорезцовых головок, позволяющих производить обработку на высоких скоростях резания с повышенными сечениями стружки. Широкое применение координатного растачивания и использование крупных поворотных столов создали условия для распространения консольного растачивания отверстий. Вторым, не менее существенным преимуществом консольного растачивания, прямо влияющим на сокращение вспомогательного времени, является устранение необходимости установки борштанги и люнетной стойки, а также упрощение диаметральных замеров в процессе расточки отверстии.

Преимущество консольного растачивания по сравнению с обработкой при помощи борштанги можно проиллюстрировать на примере обработки корпуса редуктора (фиг. 2).

Фиг. 2. Растачивание отверстий в корпусе редуктора: а —с применением борштанги; б — консольное растачивание.

Трехосный корпус редуктора имеет межосевое расстояние 1000 и 1600 мм и максимальный диаметр расточки 560 А3. Материал-чугун. При работе с борштангами и люнетами норма времени была 53 час При растачивании консольной оправкой с поворотом редуктора после окончательной обработки одной стороны затраты времени составили 36 час.

Следует отметить, что развитие консольного растачивания и фрезерование поверхностей значительной протяженности со снятием больших припусков накладывают свой отпечаток на конструкцию крупных расточных станков.

Эффективное применение этих приемов работы непосредственно связано с жесткостью шпинделя расточного станка. Жесткость в этом случае обратно пропорциональна третьей степени длины консоли, т. е. вылета шпинделя.

Для осуществления консольного растачивания применяются и другие технологические схемы, в частности, используются станки с двумя расточными колонками. На станках такого типа расточка соосных отверстий производится одновременно с двух сторон детали. При этом оба шпинделя при вертикальном их перемещении остаются строго соосными. После окончания обработки первой пары отверстий стол перемещается в продольном направлении на величину межосевого размера, и затем растачиваются следующие соосные отверстия.

Механизация зажимных устройств. Неотъемлемым элементом процесса установки является закрепление детали на станке. Крепление крупных деталей сопряжено с приложением значительных физических усилий рабочего. Сокращение затрат труда и времени может происходить в первую очередь за счет применения механизирующих устройств.

Для закрепления крупных деталей применяются универсальные гидрозажимы, развивающие усилие до 12—15 т в точке приложения зажима.

Фиг. 15. Конструкция универсального гидрозажима усилием 12—15 т: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — уплотнение поршня; 4 — уплотненние плунжера; 5 — зажимная планка; 6— гайка; 7 — плунжеры; в — винты для перемещения плунжеров; 9 — крышка; 10 - фиксирующая гайка.

Применение таких устройств позволяет соответственно уменьшить усилие рабочего, что имеет особое значение при установке крепления в труднодоступных местах. Универсальный гидрозажим (фиг. 15) представляет собой гидравлический усилитель. Диаметр поршня 2 в 3,3 раза больше диаметра плунжера 7, благодаря этому усилие на поршне больше усилия, приложенного вдоль оси плунжера почти в 11 раз. Для создания усилия зажима вращением винта 8 перемещают плунжер 7. Движение плунжера повышает давление масла в подпоршневом пространстве и заставляет поршень 2 перемещаться вверх, поднимая зажимную планку 5, лежащую на бурте поршня и на детали. Планка предварительно прижата гайкой 6. Для увеличения хода поршня в конструкции предусмотрено два плунжера. Конструкция гидрозажима обеспечивает перемещение плунжера и планки до 15 мм. После зажима детали фиксирующая гайка 10 вплотную прижимается к нижнему торцу поршня.

Размеры и значительный вес режущего инструмента приводят к большим затратам времени на установку и снятие его при обслуживании крупных станков. Уменьшение этих затрат происходит по двум направлениям: создание конструкций инструментов, позволяющих производить смену режущих элементов непосредственно на станке без снятия корпуса, и применение механизированных зажимов при установке инструментов на станке.

Инструментами, позволяющими производить смену режущих элементов, являются: рассмотренные нами фрезы с установкой по следу и резцы с клиновым креплением вкладышей конструкции Серебровского и Рожкова [77]. В качестве устройств для механизации закрепления инструментов служат гидроцилиндры для закрепления оправок в конусе шпинделя на крупных фрезерных станках и гидрозажимы для крепления резцов на токарных и карусельных станках.

Фиг. 3. Резцедержатель с гидравлическим зажимом усилием 56 т для токарного станка.

На фиг. 3 приведена конструкция гидравлического резцедержателя. Приспособление состоит из четырех одинаковых гидрошайб, установленных между опорными гайками 6 и зажимными планками 2, гидрошайбы имеют вид охватывающих друг друга цилиндра 4 и поршня 5 с навернутой на него предохранительной гайкой 3. Гидрошайбы попарно соединены гибкими шлангами, включенными в общий маслосборник. При включении золотника 8 масло давлением 65 атм от гидроаккумуляторной станции поступает в полость между цилиндром и поршнем и опускает последний до соприкосновения планки 2 с зажимаемым инструментом. Обратный клапан 7 перекрывает сливное отверстие и обеспечивает сохранение необходимого давления в цилиндре. Возврат поршня 4 в исходное положение производится пружиной 1 при включенном золотнике. При диаметре гидрошайбы 200 мм на каждой из них развивается зажимное усилие 14 т или 56 т на четырех шайбах.

Для возможности зажима инструментов различных по высоте сечений применяются две сменные прокладки. При ходе поршня в 40 мм и двух сменных прокладок практически возможно осуществить зажим инструментов с любым размером по высоте от 55 до 200 мм включительно. Конструкция гидравлического устройства не уменьшает универсальности резцедержателя. Резцы и державки могут зажиматься в любом месте резцедержателя и даже под углом. Для крупных станков может быть принят один размер гидрошайбы, что представляет большие удобства в эксплуатации этих устройств. Применение приспособления уменьшает затраты времени на смену инструмента до трех раз.

Исследования показывают, что частичная механизация ручных зажимов снижает необходимое время в 2—3 раза, а полное освобождение рабочего от силовых движений сокращает время крепления или освобождения инструментов и деталей в 3— 5 раз.

Фиг. 4. Трехсекционный кондуктор.

Уменьшение размеров и веса оснастки также благоприятно влияет на сокращение вспомогательного времени, так как в этом случае исключается необходимость применения кранов и рабочий имеет возможность нормально пользоваться, необходимыми приспособлениями. К такого вида приспособлениям относятся секционные накладные кондукторы. Фиг. 4 представляет трехсекционный накладной кондуктор для сверления поворотной платформы экскаватора. Вместо громоздкого кондуктора площадью около четырех квадратных метров рабочий ставит и снимает вручную три секции.

Высокопроизводительная оснастка. В этом отношении весьма показательным является применение многошпиндельных сверлильных головок. До недавнего времени многошпиндельные головки мы встречали в крупносерийных и отчасти серийных производствах. Это связано не только со стоимостью изготовления головки и приспособления, но также и с тем, что установка и снятие этой оснастки требует длительного времени, исчисляемого десятками минут, а процесс сверления многошпиндельной головкой одной детали обычно занимает от 1 до 3 мин.