3. Выбор и проектирование заготовки с технико-экономическим обоснованием

Целью данного раздела является разработка конструкции оптимального варианта исходной заготовки детали.

Оптимальный метод получения заготовки выбирают, анализирую следующие факторы: материал детали, технические требования на ее изготовление, объем и серийность выпуска, форму поверхностей и размеры детали.

Наиболее распространенные методы получения заготовок в машиностроении, точность изготовления и шероховатость приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Методы получения заготовок

Метод получения	Условное обозначение	Квалитет IT	Ra, мкм
Литье в земляные формы	ЛЗ	17	100
Литье в металлические формы	ЛМ	16	25
Литье по выплавляемым моделям	ЛВ	14	25
Литье в оболочковые формы	ЛО	15	125
Литье под давлением	ЛД	13	3,2
Литье центробежное	ЦЛ	15	25
Прокатка	Пр	14	3,2
Ковка в штампах	К	17	100
Горячая штамповка	Ш	15	50
Выдавливание	В	14	12,5
Холодная штамповка	ХШ	14	3,2

Каждый метод содержит большое число способов получения заготовок.

Определение вида заготовок и способов их изготовления

Максимально приблизить геометрические формы и размеры заготовки к размерам и форме готовой детали – одна из главных задач в заготовительном производстве. Оптимизируя выбор метода и способа получения заготовки, можно не только снизить затраты на ее изготовление, но и значительно сократить трудоемкость механической обработки.

Вид заготовок и способ их изготовления для конкретной детали определяются такими показателями, как:

• материал;

• конструктивная форма;

• серийность производства;

• масса заготовки.

Материал является одним из важных признаков, определяющих метод получения заготовок. Наиболее широко используемые материалы объединены в 7 групп. Код группы определяется по таблице 8 на основе данных чертежа детали.

Конструктивные формы деталей общего машиностроения делятся на 14 видов. Соответствующий код выбирается на основе сравнения реальной детали с описанием типовых деталей, представленных в таблица П1 (см. приложение 6).

По массе заготовки сгруппированы в 8 диапазонов, которые выбираются по таблица П3 и П4 (см. приложение 6).

Для удобства использования в работе по выбору возможных вариантов наиболее часто применяемые способы получения заготовок в машиностроении закодированы в интервале от 1 до 11 и представлены в таблица П5 (см. приложение 6).

Таблица 8 – Классификация материалов по группам

Вид материала	Код группы
Стали углеродистые	1
Чугуны	2
Литейные сплавы	3
Высоколегированные стали и сплавы	4
Низкоуглеродистые стали	5
Легированные стали	6
Прокатанные материалы	7

Определив коды по каждому из четырех факторов, составляется перечень возможных видов и способов получения заготовок для данной детали согласно таблица П6 (см. приложение 6):

1. По коду материала детали находим соответствующие строки таблицы.

2. По коду серийности производства уточняем место строки внутри соответствующего материала.

3. Код конструктивной формы определяет окончательное место строки данных в соответствующем коде серийности.

4. Код массы детали уточняет горизонталь в строке нужного кода формы детали, которая указывает перечень кодов вида заготовок.

Коды вида заготовок с указанием конкретных способов изготовления расшифровываются согласно таблица П5 (см. приложение 6).

Пример: «Вал опорный»

материал – сталь 45; по таблица7 для данной марки определяем код – 5;

серийность производства – по таблица П2 (см. приложение 6); вид заготовки – поковки, штамповки, прокат, масса – 8,3 кг, программа выпуска 20000; код – 4;

конструктивная форма – по таблица П1 (см. приложение 6); основные признаки детали – в соответствии с чертежом; код – 5;

масса заготовки – по таблица П3 (см. приложение 6) определяем для 8,3 кг код – 4.

Таким образом, получаем коды 5 – 4 – 5 – 4 из графы таблица П5 (см. приложение 6) «Виды заготовок» выписываем рекомендуемые коды видов: 7, 8, 9, 10. По таблица П5 расшифровываем коды видов заготовок:

7 – штамповка на молотах и прессах;

8 – штамповка на горизонтально-ковочных машинах;

9 – свободная ковка;

10 – прокат.

Технико-экономическое обоснование выбора заготовки

Решение о выборе конкретного способа получения заготовки принимается после определения и сравнения себестоимости получения заготовки для каждого из рекомендуемых видов.

Себестоимость производства заготовок, без учета затрат на предварительную механическую обработку, для способов литья и обработки давлением определяется по зависимости

(9)

где С – базовая стоимость 1 т заготовок, руб./т

C=25 960 руб.

k_Т – коэффициент точности для штамповки k_Т=1 [5, с. 37];

k_С – коэффициент группы сложности k_С=0,75 (см. таблица 2.12) [5, с. 38];

k_В – коэффициент веса k_В=0,75 (см. таблица 2.12) [5, с. 38];

k_М – коэффициент марки материала заготовки k_М=1 [5, с. 37]

k_П – коэффициент объема производства k_П=1 [5, с. 38];

Q – масса заготовки, кг;

q – масса детали, кг (см. чертеж детали);

S_ОТХ – стоимость 1 т отходов (стружки), руб.;

Оценкой выбора вида заготовки может служить и коэффициент использования металла К_И.М, рассчитанный по формуле (10). Для рациональных форм и вида выбранной заготовки значения коэффициента использования металла должны быть близки к единице.

(10)

Выбрав исходную заготовку ее, вычерчивают, рассчитывают размеры (для заготовок из сортового проката выбирают профиль), определяют объем и массу заготовки, норму расхода материала, описывают технологический процесс ее получения, составляют технические требования (например, допуски, толщину обезуглероженного слоя, механические свойства, химический состав и т.п.).

Рассмотрим пример для детали «Вал опорный».

Пример: Вариант 1. Получение заготовки методом горячей объёмной штамповки.

Определение конструктивных характеристик поковки.

ГОСТ 7505-89 устанавливает следующие конструктивные характеристики поковки: класс точности, группа стали, степень сложности, конфигурация поверхности разъема штампа.

Класс точности поковки устанавливают в зависимости от применяемого оборудования для ее изготовления и типа штампа (таблица8).

Например: исходя из определенных кодов заготовки принимаем код 8, по таблице 9 определяем класс точности поковки Т4.

Группа стали. Стали, применяемые для получения поковок, подразделяются на три группы: М1, М2, М3. При назначении группы стали определяющим является среднее массовое содержание углерода и легирующих элементов (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, W, V и др.).

М1 – сталь с массовой долей углерода до 0,35% включительно и суммарной массовой долей легирующих элементов до 2,0% включительно.

М2 – сталь с массовой долей углерода свыше 0,35% до 0,65% включительно или суммарной долей легирующих элементов свыше 2,0% до 5,0% включительно.

М3 – сталь с массовой долей углерода свыше 0,65% или суммарной долей легирующих элементов свыше 5,0%.

Например: для стали 45 – группа стали М2.

Таблица 9 – Выбор класса точности поковок

Основное деформирующее оборудование, технологические процессы	Классы точности поковок
	Т1	Т2	Т3	Т4	Т5
Кривошипные горячештамповочные прессы:
открытая (облойная) штамповка				+	+
закрытая штамповка		+	+
выдавливание			+	+
Горизонтально-ковочные машины				+	+
Прессы винтовые гидравлические				+	+
Горячештамповочные автоматы		+	+
Штамповочные молоты				+	+
Калибровка объемная (горячая и холодная)	+	+
Прецизионная штамповка	+
Примечания: Прецизионная штамповка – способ штамповки, обеспечивающий устанавливаемую точность и шероховатость одной или нескольких функциональных поверхностей поковки, которые не подвергаются окончательной обработке. При пламенном нагреве заготовок допускается снижение точности для классов Т2Т4 на один класс. При холодной или горячей плоскостной калибровке точность принимается на один класс выше

Степень сложности поковки. По степени сложности поковки делятся на четыре группы: С1, С2, С3, С4. Степень сложности устанавливают по таблице 4.9 в зависимости от численного отношения расчетной массы поковки М_ПР к массе пространственной геометрической фигуры М_Ф, в которую выписывается форма поковки. Расчетную массу поковки допускается вычислять по формуле

М_ПР=М_ДK_Р (11)

где М_ПР – расчетная масса поковки, кг;

М_Д – масса детали, кг;

K_Р – коэффициент, зависящий от формы поковки (см приложение 6, таблица П18).

Например:

М_ПР=8,31,3=10,79 кг.

Таблица 10 – Показатели для определения степени сложности поковки

Отношение массы поковки к массе фигуры МПР/МФ (свыше – до)	Степень сложности
0,63	С1
0,320,63	С2
0,160,32	С3
до 0,16	С4

При вычислении М_Ф габаритные линейные размеры детали рекомендуется увеличить в 1,05 раза (см. приложение 7 ГОСТ 7505-89).

Для горячих штамповок с тонкими элементами, в том числе с пробиваемыми перемычками, устанавливается степень сложности С4, если отношения t/D, t/L, t/(D-d) не превышают 0,2 и t не более 25 мм (где t – толщина тонкого элемента, D или d – наибольший размер тонкого элемента, l – длина тонкого элемента).

Например: размеры описывающие поковку фигуры (цилиндр).

Диаметр – 49,51,05=51,97 мм.

Длина – 6101,05=640,5 мм.

Масса описывающей фигуры (расчетная) М_Ф=10,66 кг.

Соотношение масс , при соотношении свыше 0,63 степень сложности – С1.

Конфигурация поверхности разъема штампа может быть плоской, симметрично или несимметрично изогнутой.

Конфигурация поверхности разъема штампа – П (плоская).

Определение исходного индекса поковки определяют по методике [10]

В нашем случае для штамповки массой 10,79 кг и конструктивными характеристиками Т4, М2, С1 исходный индекс равен 13.

Себестоимость производства заготовки – штамповки на горизонтально-ковочных машинах определяем по зависимости (4.9)

руб.

Таким образом, стоимость заготовки – штамповки С_ЗАГ=167,06 руб.

Коэффициент использования материала

К_ИМ=8,3/10,79=0,76

Припуски на номинальные размеры детали в зависимости от массы, класса точности, группы стали, степени сложности и шероховатости поверхности заготовки определяют по ГОСТ 7505-89 [19].

Здесь, необходимо сослаться на чертеж заготовки, который выполняется или на формате А3, А4, или непосредственно в пояснительной записке в виде эскиза, но с обязательным указанием габаритных размеров, см. рисунок 3.

Рисунок 3 - Эскиз заготовки (штамповка)

Вариант 2 Заготовка из проката

Найдем максимальный диаметр заготовки из проката.

На наибольший диаметр вала примем припуски: при черновом точении припуск на обработку составляет 3,1 мм, при чистовом 0,35 мм, (см. приложение 6, таблица 17).

Расчетный размер заготовки

D_ЗАГ=D_Д +t₁+t₂=49,5+3,1+0,35=52,95 мм (12)

где D_ЗАГ – расчетный диаметр заготовки проката;

D_Д – максимальный диаметр детали;

t₁ – припуск на черновое точение;

t₂ – припуск на чистовое точение.

По расчетным данным заготовки выбираем необходимый размер стали горячекатаной круглой по ГОСТ 2590-71*.

Круг

Припуски на подрезание торцовых поверхностей определяют (см. приложение 6, таблица 17).

Припуск на подрезку 1,3 мм на сторону.

Общая длина заготовки

L_ЗАГ=L_Д +t2=610+1,32=612,6 мм (13)

где L_ЗАГ – расчетная длина заготовки;

L_Д – длина детали;

t – припуск на подрезание торцов.

Принимаем длину заготовки 613 мм.

Объем заготовки определяем по плюсовым допускам ( ) мм. Допускаемые отклонения на горячекатаный прокат 9, таблица 3.14.

мм³ (14)

где D – диаметр заготовки проката;

L – длина заготовки проката.

Массу заготовки определяем по формуле:

М_ЗАГ=V=1424058,827,8510^-6=11,17 кг. (15)

где V – объем заготовки проката;

 - плотность стали кг/мм³.

Выбираем оптимальную длину проката для изготовления заготовки.

Потери на зажим заготовки l_ЗАЖ принимаем 80 мм.

Заготовку отрезают сегментной пилой с шириной прорези l_РЕЗ=6 мм.

Длина торцового обрезка проката

lоб=(0,3-0,5)d=0,454=22 мм (16)

где d – диаметр сечения заготовки, мм.

Число заготовок, исходя из принятой длины проката.

Из проката длиною 4 м

Х4=(L_ПР-l_ЗАЖ-l_ОБ)/ (L_ЗАГ+l_РЕЗ)=(4000-80-22)/619=6,29 (17)

Получаем 6 заготовок из данной длины проката.

Из проката длиною 7 м

Х7=(L_ПР-l_ЗАЖ-l_ОБ)/ (L_ЗАГ+l_РЕЗ)=(7000-80-22)/619=11,14.

Принимаем 11 заготовок из данной длины проката.

Остаток длины (не кратность) определяется в зависимости от принятой длины проката:

из проката длиною 4 м

L_НК = L_ПР-l_ЗАЖ-l_ОБ-L_ЗАГХ4=4000-80-22-6196=184 мм (18)

П_НК4=L_НК100/L_ПР=184100/4000=4,6% (19)

из проката длиною 7 м

L_НК = L_ПР-l_ЗАЖ-l_ОБ-L_ЗАГХ7=7000-80-22-61911=89 мм.

П_{НК 7}=L_НК100/L_ПР =89100/7000=1,27%.

Из расчетов на не кратность следует, что прокат длиною 7 м для изготовления заготовок более экономичен, чем прокат длиною 4 м. Потери материала на зажим при отрезке по отношению к длине проката составят

П_ЗАЖ=L_ЗАЖ100/L_ПР =80100/7000=1,1% (20)

Потери материала на длину торцевого обрезка проката в процентном отношении к длине проката составят

П_ОТ=L_ОБ100/L_ПР=22100/7000=0,31% (21)

Общие потери (%) к длине выбранного проката

П_О=П_{НК 7}+П_ЗАЖ+П_ОТ=1,27+1,1+0,31=2,68% (22)

Расход материала на одну деталь с учетом всех неизбежных технологических потерь определяем по формуле:

М_{ЗАГ П}=М_ЗАГ(100+П_О)/100=11,17(100+2,68)/100=11,46 кг. (23)

Коэффициент использования материала

К_ИМ=8,3/11,46=0,72

Стоимость заготовки из проката

С_{ЗАГ П}=C/1000М_З.П-(М_З.П-М_Д)(С_ОТХ/1000) (24)

С_{ЗАГ П}=22785/100011,17-(11,17-8,3)(400/1000)=253,35 руб.

Рисунок 4 - Эскиз заготовки (прокат)

Технико-экономическое сравнение вариантов заготовок

Для технико-экономического сравнения себестоимости изготовления детали из проката и штамповки нужно приблизить конфигурацию заготовки из проката к штамповке: снять черновой припуск за несколько проходов, чтобы основные габаритные размеры заготовок совпадали, и в себестоимость заготовки проката включить расходы на снятие этих припусков.

Определяем технологическую себестоимость изготовления детали по формуле

С_Т=С_ЗАГQ+C_МЕХ(Q-q)-С_ОТХ(Q-q) (25)

где С_Т – технологическая себестоимость изготовления детали, руб.;

С_ЗАГ – стоимость 1 кг заготовки, руб./кг;

C_МЕХ – стоимость механической обработки, отнесенная к одному кг срезаемой стружки, руб./кг;

С_ОТХ – цена одного кг отходов, руб./кг.

Результаты расчетов для сравнения сводим в таблицу 11.

Так как известны масса детали и коэффициент использования материала, то преобразовываем формулу 23 в вид

(26)

Таблица 11 – Результаты расчетов заготовки.

Показатели	Штамповка	Прокат
Степень сложности	С1	-
Класс точности	Т4	-
Группа стали	М2	М2
Масса, кг	10,79	11,17
КИМ	0,76	0,72
Стоимость заготовки, руб.	167,06	253,35

Составляющие технологической себестоимости С_ЗАГ, C_МЕХ, С_ОТХ, определяются по укрупненным нормативам. Заготовительные цены на стружку черных и цветных металлов приведены в таблице 12.

Таблица 12 – Заготовительные цены на 1 кг стружки черных и цветных металлов, руб./кг

Тип отходов	Стоимость
Стальная и чугунная стружка для доменных печей	1,44
Лом и отходы легированной стали	2,98
Лом и отходы шарикоподшипниковой стали	3,80
Лом и отходы алюминиевых сплавов (стружка)	1,46
Латунная стружка	3,19
Лом и отходы оловянной бронзы	4,43

Затраты на механическую обработку, отнесенные на 1 кг стружки, могут быть определены по формуле 27.

С_МЕХ=С_С+Е_НС_К (27)

где С_С – текущие затраты на 1 кг стружки, руб./кг;

С_К – капитальные затраты на 1 кг стружки, руб./кг;

Е_Н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Е_Н=0,1…0,2).

Для машиностроения в целом можно принять Е_Н=0,16, а нормативы С_С и С_К определить по данным [11] приведены в таблице13.

Затраты на механическую обработку составят (27)

С_МЕХ =1,88+0,155,66=2,72 руб./кг

Таблица 13 – Затраты на механическую обработку, отнесенные на 1 кг стружки

Отрасль машиностроения, промышленность	Затраты на 1 кг стружки, руб.
	Текущие СС	Капитальные СК
По машиностроению в целом	4,95	10,85
Тяжелое, энергетическое, транспортное	4,68	10,39
Станкостроение и инструментальная промышленность	3,56	10,35
Автомобильное и сельскохозяйственное машиностроение	1,88	5,66
Машиностроение для легкой и пищевой промышленности	5,63	10
По прочим отраслям промышленности	10,6	22,13

Стоимость 1 кг заготовки полученной штамповкой (рисунок 4)

С_{ЗАГ Ш}=С_ШТh_Тh_Сh_Вh_Мh_П=25,960,90,750,81,01,0=14,01 руб. (28)

где С_ШТ – базовая стоимость1 кг штампованных заготовок, С_ШТ=25,96 руб.;

h_Т – коэффициент, зависящий от класса точности штамповки h_Т=0,9;

h_С – коэффициент, зависящий от группы сложности штамповки (см. таблица 14), h_С=0,75;

h_В – коэффициент, зависящий от массы штамповки (см. таблица 15) h_В=0,8;

h_М – коэффициент, зависящий от марки материала (см. таблица 16) h_М=1,0;

h_П – коэффициент, зависящий от объема производства h_П=1,0.

Таблица 14 – Значение коэффициента h_С

Материал штамповки	Группа сложности
	1	2	3	4
Сталь углеродистая 08…45	0,75	0,84	1	1,15
Сталь 15Х…50Х	0,77	0,87	1	1,15
Сталь 18ХГТ…30ХГТ	0,78	0,88	1	1,14
стальШХ9…ШХ15	0,79	0,89	1	1,13
Сталь 12ХН3А…30ХН3А	0,81	0,90	1	1,10

Таблица 15 – Значение коэффициента h_В

Масса поковки, кг	Материал поковки
	Ст. 08…45	Ст. 15Х…50Х	Ст. 18ХГТ…30ХГТ	Ст. ШХ9, ШХ15	Ст. 12ХН3А…30ХН3А
0,25	2	2	1,94	1,82	1,62
0,25…0,63	1,83	1,64	1,61	1,52	1,42
0,63…1,6	1,33	1,29	1,29	1,3	1,25
1,6…2,5	1,14	1,14	1,15	1,14	1,11
2,5…4,0	1	1	1	1	1
4,0…10,0	0,87	0,89	0,89	0,88	0,9
10,0…25,0	0,8	0,8	0,79	0,76	0,8
25,0…63,0	0,73	0,73	0,74	0,71	0,75
63,0…160,0	0,7	0,7	0,72	0,65	0,7

Таблица 16 – Значение коэффициента h_М

Марка материала	Коэффициент
Углеродистая сталь 08…85	1,00
Сталь 15Х…50Х	1,18
Сталь 18ХГТ…30ХГТ	1,27
Сталь ШХ15	1,62
Сталь 12Хн3А…30ХН3А	1,98

Стоимость 1 кг заготовки полученной из проката (рисунок 4)

С_{ЗАГ П}=С_ПРh_Ф (29)

где С_ПР – цена 1 кг материала заготовки, руб.;

h_Ф – коэффициент, учитывающий форму заказа металлопроката.

Значения коэффициента h_Ф составляют [11]:

Прокат нормальной длины………….1,0

Прокат кратной длины………………1,03

Прокат мерной длины……………….1,06

Стоимость некоторых металлов С_ПР приведены в таблица П12 (см. приложение 6).

Стоимость 1 кг заготовки, полученной из проката

С_{ЗАГ П}=С_ПРh_Ф =22,781,0=22,78 руб./кг.

Определяем технологическую себестоимость изготовления детали по сравниваемым вариантам получения заготовок [11].

Для заготовки полученной штамповкой

С_{Т Ш}=С_ЗАГQ+C_МЕХ(Q-q)-С_ОТХ(Q-q)

С_{Т Ш}=14,0110,79+2,72(10,79–8,3)–1,44(10,79–8,3)=154,35 руб.

Для заготовки полученной из проката

С_{Т ПР}=22,7811,17+2,72(11,17–8,3)–1,44(11,17–8,3)=258,12 руб.

Таким образом, по технологической себестоимости наиболее экономным является вариант изготовления детали из заготовки полученной штамповкой.

С_{Т Ш} =154,35 руб. С_{Т ПР}=258,12 руб.

Годовой экономический эффект, руб.

Эг=(С_{Т ПР}–С_{Т Ш})Nг (30)

где Nг=20 000 шт./год – годовая программа выпуска

Эг=(258,12-154,35)20 000=2 075 400 руб.

Вывод: На основании сопоставления технологической себестоимости по рассматриваемым вариантам делаем заключение о том, что оптимальным является вариант получения заготовки из проката.