Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.ТУПОЛЕВА

Н.А.Дунин, А.Ю.Лабутин

Проектирование

технологических процессов производства

деталей машин

Учебное пособие

Казань 2010

Краткое историческое развитие

технологии машиностроения

Человеку для своего существования необходимы материальные блага, источником получения которых являются предметы природы и человеческий труд. Природа предоставляет в распоряжение человека ничтожно малое количество предметов, которые можно использовать непосредственно без приложения труда. Поэтому человеку всегда приходится выполнить определенную работу, чтобы путём качественного превращения приспособить предметы природы для удовлетворения своих потребностей.

Качественные изменения предметов природы, осуществляемы человеком, получили название технологического процесса.

Осуществляя технологический процесс, человек ставит перед собой две задачи:

1. Получить изделие, которое удовлетворяло бы его потребностям

2. Затратить на его изготовление минимальное количество труда.

Поэтому, предметом технологии машиностроения является учение об изготовлении машин заданного качества и в установленном производственной программой количестве при наименьшей себестоимости, т.е. при минимальных затратах живого и овеществлённого труда.

А отрасль науки, занимающаяся изучением закономерностей, действующих в процессе изготовления машин, с целью использования их для обеспечения требуемого качества машин при наименьшей себестоимости

называется технологией машиностроения (от греческого technё - ремесло, мастерство +logos учение).

Начало развития технологии машиностроения связано с появлением крупной промышленности. В прошлом технология машиностроения получила наибольшее распространение в оружейных мастерских и на заводах, где изготовлялись различные виды оружия в больших количествах, чем другие изделия. Еще в Киевской Руси ХI века ремесленники изготовляли оружие в достаточном количестве для вооружения дружин с учетом многих профессиональных секретов, передаваемых по наследству.

Но постепенно, с развитием техники, достижения ремесленного искусства накапливались, синтезировались и в настоящее время технология машиностроения превратилась в науку, хотя ещё и недостаточно стройно сформированную, т.е. это наука, которую вполне обоснованно можно назвать и одной из самых древних и достаточно молодой. Современная наука технология машиностроения немыслима без достижений в различных фундаментальных областях науки математики, физики, механики, теплофизики, кибернетики и др.

Этот процесс эволюции очень наглядно прослеживается, например, в изучении остаточных напряжений в поверхностном слое деталей.

Их влияние на эксплуатационные свойства и коробление изделий существует с времён зарождения литейного и кузнечного производства, но научное объяснение случаев разрушения орудийных стволов без единого выстрела впервые дал в конце ХIХ столетия инженер-артиллерист Н.В.Калакуцкий, указав на существование остаточных напряжений. И только через столетие, базируясь на современных достижениях техники, его исследования получили достаточно полные теоретические и экспериментальные обоснования, а физико-механические характеристики качества поверхностного слоя для ответственных деталей, например, лопаток, дисков и валов газотурбинных двигателей, в настоящее время оговариваются в технических условиях на рабочих чертежах.

По существу же технология машиностроения и в настоящее время остаётся прикладной наукой, она зародилась в цеховых условиях и служит производству.

Шедевры машиностроительного искусства известны на Руси с середины 16-го века. Так, например, знаменитая царь-пушка сохранилась до наших дней. Она, отлитая и изготовленная мастером литейного дела из Нижегородских крепостных Андреем Чоховым в 1586 году, поражает своим дизайном и внушительными размерами; ствол, длиной 5,34 метра, весит 40 тонн и имеет калибр 890мм.

Заслуживает особого внимания и другая жемчужина литейного мастерства. Царь - колокол весом 200т, отлитый из красной шведской меди и английского олова в 1733-35г.г. отцом и сыном Моториными (Иван и Михаил), до настоящего времени имеет ценность, как образец литейного мастерства и художественно-производственного исполнения. К сожалению, во время ликвидации пожара 1737г. из-за возникшей разницы температур от колокола отделился кусок весом 7т и поэтому он никогда не звонил.

Для сведения, колокол Троице-Сергиевской ларвы, отлитый на одном из заводов С-Петербурга в 2002 году весом 40т, в прессе так же получил название «царь – колокол».

Ремесленники-мастера прошлого заложили основы современного машиностроения. Примером этого может служить поистине творческая деятельность известного токаря Петровских мастерских А.К.Нартова(1680-1756г.г.).

Его произведения демонстрировались в музеях Берлина, Парижа и Вены. Изобретения А.К.Нартова намного опередили своё время. Так, предложенный и изготовленный им в 1712 году на 86 лет раньше англичанина Модсли, механический суппорт для токарных станков применяется и в наши дни на всех металлорежущих станках.

А.К.Нартов был к тому же человеком большой научной эрудиции и замечательный педагог своего времени. В лабораториях Академии наук он сотрудничает с такими выдающимися учеными, как Эйлер, Бернулли, Крафт, Лейтман, а назначенный в 1742году первым советником Академии наук, много сделал для Отечественного машиностроения и проявил большую заботу в начальный период становления М.В.Ломоносова, увидев в нём личность большого таланта учёного и экспериментатора.

Существенный вклад в дальнейшее развитие отечественного машиностроения и, в частности, технологию оружейного производства внесли работники Тульского оружейного завода Сидоров, Батищев, Захава и др., которые не только разработали ряд новых технологических процессов, но и создали значительное количество необходимых для производства станков и инструментов (пушечные свёрла и др.) Здесь ещё в 1761году впервые в мире было разработано и доведено до практического использования изготовление взаимозаменяемых деталей и их контроль при помощи калибров. Хотя официально годом рождения взаимозаменяемости при сборке изделий считается 1798 год, когда американский изобретатель и промышленник Эли Уитни (1765 - 1825г.г.) принёс в конгресс США десять ружей, разобрал их и затем на глазах у конгрессменов снова собрал. Испытания показали положительные результаты.

Развитие технологии машиностроения, оснащенность заводов и фабрик происходили вместе со значимыми изобретениями в физике и технике. Так на замену энергии воды пришла паровая машина, предложенная в 1765 году И.И. Ползуновым (1728 - 1766г.г.), а изобретение электродвигателя в 1834 году проф. Б.С.Якоби (1801-1874г.г.) преобразило всё машиностроительное производство.

Достижения физики, химии, механики и других фундаментальных наук и в более позднее время, вплоть до наших дней, эффективно использовались в производстве различных машин, разработке новых методов обработки изделий, что способствовало бурному развитию технологии машиностроения с последующими научными обобщениями и экспериментальными подтверждениями.

Накопленный опыт был, по-видимому, впервые обобщён проф. Московокого университета И.А.Двигубским (1771-1840г.г.) в книге «Начальные основания технологии или краткое описание работ, на заводах и фабрика производимых» (1807г.).

Дальнейшее обобщение опыта развития технологии машиностроения нашло в капитальном труде проф. И.А.Тиме (1838 - 1920г.г.) «Основы машиностроения, организация машиностроительных фабрик в техническом и экономическом отношении и производство работ», вышедшем в трёх томах (1885г.).

Особо следует отметить работы профессора А.П.Гавриленко (1861-1914г.г.), издавшем в начале ХХ века учебник «Технология металлов», который стал настольной книгой для нескольких поколений российских инженеров.

При дальнейшем развитии технологии машиностроения во второй половине ХХ века в нашей стране под руководством ведущих учёных технических вузов были созданы работоспособные коллективы и научные школы технологов, которые внесли существенный вклад как в теоретические основы науки технологии машиностроения, так и в практическое использование результатов исследований непосредственно в производственных условиях.

Например, профессор Соколовский А.П. при Ленинградском политехническом институте провёл большую работу по типизации технологических процессов, доведя её до практического использования и разработал с теоретическими обоснованиями такой сложный раздел по механической обработке деталей как влияние жёсткости технологической системы станок – приспособление - инструмент – деталь (СПИД) на их точность. В этом направлении особо следует отметить исследования А.П.Соколовского по влиянию возникающих при резании металлов вибраций на качество поверхностного слоя и точность обработанных деталей применительно к станкам токарной группы. Обобщённые научные и экспериментальные материалы вхорошем методическом изложении представлены в его фундаментальных учебниках по технологии машиностроения, опубликованные в середине прошлого столетия, не потеряли научной ценности и в наше время нашли дальнейшее развитие.

Профессор А.Б.Яхин является одним из основоположников создания теории распределения погрешностей при обработке деталей, что стало научным обоснованием развития статистического анализа точности в машиностроении.

Многое сделала для развития машиностроения научная школа технологов МВТУ им. Н.Э. Баумана (проф. М.В.Кован, В.С. Корсаков и другие), где были разработаны основные принципы технологии сборки машин и механизмов, проектирования и расчёта технологической оснастки, а также дано теоретическое обоснование расчётов межоперационных припусков и допусков на механическую обработку деталей.

Профессор Б.С.Балакшин с сотрудниками кафедры технологии машиностроения Московского станкостроительного института (СТАНКИН) развил теорию размерных цепей применительно к решению технологических задач и разработал ГОСТы по этой тематике для их практического использования.

Коллектив авторов под руководством Б.С.Балакшина разработал и внедрил в производство систему активного контроля точности изготовления детали непосредственно в процессе выполнения конкретной операции. В 1976 году эта работа была отмечена Ленинской премией.

Заметный вклад в технологию авиадвигателестроения, которая многие годы считалась наиболее передовой по сравнению с другими отраслями машиностроения, внесли учёные технологического направления Московского авиационного института профессора В.А.Подзей, В.П.Фираго, А.М.Сулима и другие. Коллектив авторов кафедры производства двигателей МАИ разработали комплекс учебников по основным курсам технологии авиадвигателестроения для инженерной полготовки в авиационных ВУЗах страны, которые не потеряли своей научно-педагогической ценности и в наше время.

Из зарубежных учёных технологов прошлого следует назвать К.Кармаша, который в конце ХIХ века опубликовал работы «Введение в механическое учение технологии», «Основы механической технологии» и «Справочник по механической технологии».

Значительный научно - практический вклад в технологию машиностроения внёс американский инженер Ф.У.Тейлор(1856-1915), который в 1890году издал работу «Искусство обработки металлов» в которой определил ряд важнейших положений по механической обработке деталей резанием. Он также является основоположником системы производственной организации труда, основанной на глубоком разделении составляющих технической нормы времени и рационализации трудовых движений.

В целом же, как следует из приведенного краткого обзора, формирование технологии машиностроения в научном отношении начинается с 30-х годов прошлого столетия, когда стали появляться в печати обобщения отечественного и зарубежного накопленного опыта. В Советском Союзе, бывшем в то время сильной индустриальной мировой державой, для этого были созданы многие научно-исследовательские институты в том числе и технологического направления; центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения(ЦНИИТМАШ), научно - исследовательский институт авиационной технологии (НИАТ), научно-исследовательский институт двигателестроения (НИИД) и другие, которые имели свои филиалы в промышленных регионах страны.

В эти же годы во многих технических ВУЗах организуется технологическая подготовка специалистов для промышленных предприятий. В 1930-м году был создан Московский станкоинструментальный институт (СТАНКИН), который впоследствии стал ведущим ВУЗом страны по подготовке инженеров-технологов и специалистов более высокой квалификации, обеспечивая всё возрастающие потребности производства.

Многие промышленные предприятия стали активно использовать на практике достижения научных исследований физики, химии, электроники, компьютерной техники и других фундаментальных направлений для повышения качества, производительности и надёжности производства изделий, что поставило технологию машиностроения на более высокий технический и организационный уровень. Примером может служить широкое внедрение в производство за последние десятилетия станков с числовым программным управлением (ЧПУ) для металлообработки резанием, электрохимических, ультразвуковых, лазерных и других методов формообразования деталей сложной геометрической формы из труднообрабатываемых конструкционных материалов.

В машиностроении с успехом применяются безбумажные технологии с компьютерным оформлением документации и с программным обеспечением необходимых технических расчётов, широко используются научно обоснованные рекомендации по назначению режимов резания с использованием ЭВМ (работы проф. В.Ф. Безъязычного, В.С. Мухина, Э.М. Рыжова, Л.А. Суслова, Л.А. Хворостухина и др.). На промышленных предприятиях создаются специализированные отделы по компьютерному проектированию технологической оснастки, режущего и измерительного инструмента.

За последние десятилетия для особо ответственных деталей, работающих в сложных эксплуатационных условиях, технологические процессы проектируются с учётом получающихся на финишных операциях характеристик (шероховатости, наклёпа, остаточных напряжений, структурных преобразований) качества поверхностного слоя с применением специальных методов обработки. Большие резервы улучшения эксплуатационных свойств деталей и изделий в целом заключаются в применении методов поверхностного пластического деформирования (ППД), что стало возможным в результате научных исследований физической сущности упруго-пластических и температурных процессов, происходящих в зоне контакта при резании металлов и при специальных методах обработки. В этом направлении значительные теоретические и практические работы выполнены проф. И.В.Кудрявцевым, А.В. Подзеем, А.М.Сулимой, Ю.Г. Шнейдером, М.М.Савериным, В.В. Петросовым, А.А.Маталиным и другими исследователями, что в значительной мере способствовало внедрению методов ППД в производство. Дальнейшая работа по формированию в вузах дисциплины «Технология машиностроения» привела к её делению на два самостоятельных курса: «Основы технологии машиностроения» и «Специальную часть технологи машиностроения». В первой части стали излагаться вопросы, общие для всех отраслей машиностроения, главным образом, теоретические разделы, во второй – излагаются вопросы, специфические для конкретной отрасли машиностроения, касающиеся обработки основных деталей, а иногда и сборки машин. Общий курс постепенно превратился в общеинженерную дисциплину, изучаемую студентами всех специальностей и специализаций.

Одновременно с делением дисциплины на два курса из неё выделились отдельные самостоятельные курсы: «Основы конструирования технологической оснастки», «Резание, станки, инструмент», «Взаимозаменяемость, допуски и технические измерения», «Основы проектирования машиностроительных цехов и заводов», что дало возможность более качественной вузовской подготовки инженеров технологических специальностей.

В настоящее время машиностроение достигло высокого развития как по культуре производства, так и по его оснащенности. Наука всё в большей мере становится непосредственной производительной силой, а производство - её практическим применением. Решающая роль при этом отводится совершенствованию технологии, технологического оборудования, автоматизации и механизации производственных процессов. Последнее является важнейшей проблемой развития любого современного производства, так как она не только увеличивает производительность труда, но и повышает качество и надёжность изготовляемых изделий, улучшает коэффициент использования оборудования, сокращает цикл производства.

Наибольший эффект в машиностроении даёт интегральная автоматизация: основные технологические операции автоматизируются совместно с вспомогательными, контрольными и транспортными работами, что характерно для поточных линий в крупносерийном и массовом производстве.

В ряде случаев весьма полезным является использование роботов, которое приводит к исключению субъективных ошибок рабочего и обеспечивает высокую стабилизацию технологических процессов.

Несмотря на большие теоретические и практические достижения в технологии машиностроения до настоящего времени закономерности многих технологических процессов недостаточно изучены и рабочие параметры зачастую регулируются эмпирическими приёмами. Эти проблемы становятся всё более актуальными, так как создание новой техники связано с усложнением конструкций, применением труднообрабатываемых материалов, повышением требований к качеству, надёжности, технологичности и эксплуатационным характеристикам изделий.

В заключении следует отметить, что основное назначение курса технологии машиностроения заключается в том, чтобы научить будущих специалистов анализировать технологические процессы и теоретически обосновывать принимаемые решения на базе полученных знаний в математике, физике, механике, технологии металлов, сопротивлении материалов и другим дисциплинам, составляющим теоретическую основу подготовки инженера.

Тема проекта и его содержание

При разработке технологических процессов производства деталей двига­телей необходимо знать основы технологии машиностроения и умение решать практические задачи (расчеты), связанные с точностью детали, методикой по­лучения заготовки и расчета ее размеров, выбором оборудования и типа произ­водства, назначением оптимальных режимов обработки с соответствующими технологическими обоснованиями.

Весь перечисленный комплекс вопросов приходится решать студентам при выполнении курсовых и дипломных проектов технологического направле­ния, чему должны способствовать в значительной мере практические навыки, полученные в период прохождения производственных практик на машино­строительных предприятиях.

Работа над курсовым проектом по технологии требует от студента уме­ния пользоваться многочисленной справочной литературой и самостоятельно­сти при разработке комплекса технологических задач, которые зачастую не имеют однозначного решения.

Курсовое проектирование представляет собой важный этап подготовки инженеров-механиков по авиадвигателестроению и является проверкой и уг­лублением практических знаний при разработке технологических процессов производства деталей машин, полученных студентами в процессе изучения теоретических дисциплин.

Тема проекта может иметь реальный (полностью, частично) или акаде­мический характер.

Тема реального проекта выдается после согласования со студентами и ут­верждается заведующим кафедрой. Она может включать в себя исследования и разработки, выполненные студентом по научному направлению кафедры или по заданию предприятия, на котором он проходил производственную практику.

Темой академического (учебного) проекта является разработка техноло­гического процесса изготовления детали средней сложности с необходимыми расчетами.

Задание на проект включает в себя рабочий чертеж детали, годовую про­грамму выпуска двигателей, трудоемкость производственной группы и сведе­ния о количестве других (технологически подобных) деталей, обрабатывае­мых в той же производственной группе.

Технологический процесс изготовления детали (корпус, шестерня, фла­нец и т.п.) должен быть средней сложности и содержать не менее 5 различных методов механической обработки.

Курсовой проект включает в себя разделы, которые необходимо выпол­нять в указанной последовательности:

Рабочий чертеж детали 1 лист формата А2-А1

План обработки детали 1 лист формата А2-А1

Эскиз совмещенных переходов

и схемы размерных цепей 1 лист формата А2-А1

Технологический процесс

Обработки детали 15-20 технологических опе-

раций

Сборочные чертежи 1-2 станочных

приспособлений и их деталировка 2 листа форма А1

Координатный чертеж для одной

операции технологического процесса

и проек­тирование наладок 1 лист форма А2

Расчетно-пояснительная записка 40-45 страниц

Примерная трудоемкость и время, отводимое для выполнения каждого раздела, указаны на бланке задания. Защита курсового проекта перед комисси­ей должна быть проведена не позднее одной недели до начала экзаменацион­ной сессии.

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ