Классификация технологических маршрутов изготовления разнофункциональных изделий из различных материалов. Учебное пособие

Технологический маршрут ТМ13 предполагает проведение операций размерной обработки с целью повышения точности конструктивных элементов порошковой композиции после ее спекания.

Вариант 14 (ТМ14):

С → ОПМ → (ТО) → ОРО → ОПО → Д. (3.10)

Порошковые изделия обладают определенной пористостью [7]. Соответственно используя операции поверхностной обработки (нанесения внешних покрытий) можно получать изделия с заданными свойствами поверхности. Кроме того, за счет включения в технологический маршрут операций термической обработки можно изменять макросвойства порошковых изделий.

3.2.2. Примеры технологических маршрутов массового производства

Вариант ТМ5. Пример: изготовление изделия «Болт».

В качестве исходной заготовки используется горячеили холоднокатаный шестигранный прокат с размером под ключ.

Изделие получают на многошпиндельных токарных автоматах или полуавтоматах, на которых выполняется цилиндрическая и резьбовая часть болта.

Вариант ТМ6. Пример: изготовление изделия «Болт».

Заготовку болта получают высокопроизводительными способами обработки давлением круглого проката (например, холодная высадка), одновременно улучшающими структурное состояние материала заготовки, после чего нарезают резьбу (например, таким высокопроизводительным методом, как накатка резьбы).

Вариант ТМ7. Пример: изготовление ручки дверной из латуней. В качестве исходной заготовки используют литейные сплавы ла-

туни. Отливки ручки получают высокопроизводительным процессом

31

литья – литьем под давлением. Этот способ обеспечивает получение точных отливок с наиболее высокими механическими свойствами по сравнению с другими способами литейного производства.

Отливки ручки подвергают галтовке для удаления следов литниковой системы и заусенцев. Отливка за счет конструктивных элементов пресс-форм литья под давлением выполняется с внутренним отверстием под резьбу для детали «стяжка».

Внутренняя резьба выполняется на сверлильных полуавтоматах. Использование сплавов на основе латуни обеспечивает высокие

эстетические свойства и коррозионную стойкость ручки.

Вариант ТМ8. Пример: изготовление изделия «Болт» из углеродистых сталей.

Заготовку болта получают обработкой давлением круглого проката (например, холодная высадка), после чего нарезают резьбу методом накатки.

Упрочняют болт или конструктивные элементы болта операциями объемной, поверхностной закалки с последующим отпуском либо операциями химико-термической обработки для повышения износостойкости поверхности болта.

Вариант ТМ9. Пример: изготовление колец средних и крупных шарикоподшипников.

В качестве исходных заготовок используется горячекатаный прокат (например, сталь ШХ-15).

Заготовки колец получают горячей многопереходной объемной штамповкой на автоматических линиях. После штамповки кольца подвергаются операции раскатки для выполнения размеров по наружному и внутреннему диаметру.

Объемная закалка с низкотемпературным отпуском обеспечивает получение заданных механических свойств.

Последующая холодная калибровка пластическим деформированием упрочняет внутреннюю поверхность колец и повышает точность диаметральных размеров кольца.

32

Вариант ТМ10. Пример: изготовление изделия «Болт» ответственного назначения из легированных сталей.

Операцию холодной высадки заготовок болта проводят в несколько переходов, после каждого из которых штамповку фосфатируют для уменьшения внешнего контактного трения при обработке давлением, что повышает равномерность пластической деформации по переходам и предохраняет заготовку от разрушения.

Последующие операции соответствуют технологическому маршруту ТМ9.

Вариант ТМ11. Пример: изготовление ручки дверной с декоративным покрытием.

свойства: литейные свойства; способность обрабатываться давлением; свариваемость; обрабатываемость резанием и т. п., а также стоимость материала. Соответственно при массовом производстве дверных ручек предпочтительно использовать дешевые по сравнению с другими материалами литейные сплавы алюминия (АК12, АК5М2, АМ6 и др.).

Получение заготовок ручек способом литья под давлением позволит получить точные отливки с высокими механическими свойствами по сравнению с другими способами литья.

Сразу после получения отливок необходимо провести их термическую обработку. Поясним необходимость этой операции. После литья под давлением отливки из этих сплавов имеют сравнительно низкую твердость и заметную пятнистость на поверхности. Эти факторы ухудшают состояние поверхности готового изделия «Ручка» после ее доработки, например, полированием (не достигается зеркальность поверхности из-за ее недостаточной твердости) и остается заметная пятнистость поверхности из-за выделения на ней эвтектики сплава (механическая смесь твердого раствора кремния в алюминии и кремнии). Соответственно возникает необходимость в дополнительной

33

обработке поверхности ручки для исключения этих дефектов, например нанесении гальванопокрытий заметной толщины (до 0,1 мм), что существенно увеличивает трудоемкость изготовления изделия. Проведение термической обработки отливки сразу после ее получения (закалка+старение) значительно повышает ее твердость поверхности, а зоны эвтектики равномерно распределяются по поверхности отливки. Соответственно после доработки поверхности отливки ее качество существенно выше, чем без проведения термической обработки сразу же после литья.

Последующие операции технологического маршрута обеспечат получение необходимых конструктивных элементов ручки с заданными параметрами.

Финишные операции поверхностной обработки будут заключаться в нанесении защитно-декоративных внешних покрытий различными методами (наиболее предпочтительными для массового производства являются гальванопокрытия, для серийного производства – ва- куумно-плазменные).

Вариант ТМ12. Пример: изготовление изделия «Шайба» из металлического порошка железа со свободными геометрическими размерами (грубый класс точности).

Используются операции порошковой металлургии: формование заготовки шайбы из порошка железа методом прессования; спекание формовки. Так как требования по точности отсутствуют, то спекание – финишная операции технологического маршрута.

Вариант ТМ13. Пример: изготовление изделия «Шайба» из металлического порошка железа по 10 квалитету точности на внутренний диаметр шайбы.

В этом случае используется технологический маршрут ТМ12 с финишной операцией круглого внутреннего шлифования по внутреннему диаметру шайбы.

34

Вариант ТМ14. Пример: изготовление твердосплавных пластин для резцов с износостойкими покрытиями.

Рассмотрим этот технологический вариант на примере изготовления твердосплавных пластин для резцов из сплава ВК8 (состав сплава: 8 % кобальта и 92 % карбида вольфрама).

Порошковую композицию указанного концентрационного состава прессуют (формовочная операция порошковой металлургии) в форме для получения заготовки пластины. Затем заготовку спекают при температурах 1700–1900 °С с целью получения ее необходимой конструкционной прочности.

Завершающие операции размерной обработки поверхности, как правило, шлифование, обеспечивают точный класс на необходимые рабочие размеры твердосплавной пластины.

Финишными операциями технологического маршрута ТМ14 являются операции физико-химических методов обработки поверхности заготовки. Например, после изготовления твердосплавные пластины подвергаются поверхностной обработке путем нанесения ваку- умно-плазменных покрытий (физические методы нанесения покрытий) на основе тугоплавких металлов типа TiN, TiAlN, CrN и др., которые существенно (до 3–5 раз) повышают эксплуатационную стойкость пластин.

Контрольные вопросы

1.Понятие «серийное производство».

2.Характерные особенности серийного производства.

3.Технологическая документация серийного производства.

4.Понятие «массовое производство».

5.Характерные особенности массового производства.

6.Технологическая документация массового производства.

7.Основные варианты технологических маршрутов массового производства.

8.Операции заготовительного производства в технологических маршрутах массового производства.

9.Операции термической обработки заготовок в технологических маршрутах массового производства.

35

10.Операции резания в технологических маршрутах массового производства.

11.Операции термической обработки в технологических маршрутах массового производства.

12.Операции размерной обработки в технологических маршрутах массового производства.

13.Операции поверхностной обработки в технологических маршрутах массового производства.

14.Формирование эксплуатационных свойств изделий в технологических маршрутах массового производства.

36

Глава 4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

4.1.ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Взависимости от предельно достижимой точности изделий

впроизводственных процессах их разделяют на обычные, точные (прецизионные), чрезвычайно точные (ультрапрецизионные) [12].

Соответственно стандарт предусматривает 20 квалитетов точно-

сти изделий: 01; 0; 1; 2; …; 18 [6]: 01–5 квалитеты – калибры;

6–12 квалитеты – посадки (точные классы);

13–14 – средний класс точности;

15–16 – грубый класс точности;

17–18 – очень грубый класс точности.

Так, в качестве примера: для цилиндрического валика диаметром

впределах 18–30 мм точность для квалитета IT01 определяется допуском в 0,6 мкм, квалитета IT1 – 1,5 мкм, квалитета IT5 – 9 мкм, квалитета IT12 – 210 мкм, квалитета IT14 – 520 мкм, а для квалитета

IT18 – 3300 мкм.

Квалитеты IT01– IT1 определяют точность калибров для измерения плоскопараллельных поверхностей.

Квалитеты IT2–IT4 регламентируют точность гладких калибровпробок и калибров-скоб.

Квалитеты IT5 и IT6 характеризуют изделия высокоточных соединений (например, шпиндели прецизионного оборудования, подшипники качения, шейки валов и т. п.).

Квалитеты IT7 и IT8 регламентируют допуски на изготовление точных деталей авто- и авиастроения, металлорежущих станков, измерительных приборов.

Квалитеты IT9 и IT10 определяет степень точности для изделий полиграфии, железнодорожного транспорта, сельскохозяйственных машин, подъемно-транспортных механизмов и т. п.

37

Квалитеты IT11 и IT12 используются для назначения допусков на изготовление литых и штампованных деталей, используемых в неответственных соединениях.

Квалитеты IT13–IT17 включают изделия неответственного назначения (так называемые изделия со свободными размерами).

Таким образом, в машиностроении к изделиям обычной точности следует отнести изделия, соответствующие квалитетам IT7 и IT8, к прецизионным изделиям – IT4–IT6.

Для достижения точности, соответствующей прецизионным изделиям, исходное сырье проходит длительный технологический маршрут, включающий воздействие на материал различных по природе методов обработки. Для таких комплексных технологических процессов характерно проявление металлургической наследственности (проявление структуры и свойств изначальных шихтовых материалов в структуре и свойствах продуктов каждого из последующих металлургических переделов) и технологической наследственности (явление переноса свойств объекта из предшествующей технологической операции к последующей) при изготовлении конкретного изделия.

Металлургическая наследственность проявляется прежде всего через: металлургическую историю материала (марка, микролегирование, первородность шихты, балльность по карбидным и неметаллическим включениям, газонасыщенность); способ плавки (электродуговой, электрошлаковый, высокочастотный, электровакуумный); способ разливки (в цеховой атмосфере, в вакууме, вакуумирование в ковше, в кристаллизатор).

Технологическая наследственность проявляется через:

–свойства материала заготовок;

–свойства материала заготовок и деталей в их поверхностных слоях;

–свойства материала и поверхностных слоев заготовок после термической обработки и обработки давлением;

–погрешности операций обработочного производства, включая погрешности установочных баз;

–влияние конструктивных форм заготовок и деталей;

–условия эксплуатации деталей.

38

Если не предпринимать необходимые меры для ликвидации передачи вредных наследственных свойств (неоднородность химического состава и структурно-фазового состава материала; дефекты термической обработки; волокнистость заготовок после обработки давлением; изменение свойств материала как для всего объема, так и для его поверхностных слоев, во времени; рассеивание размеров деталей и значений шероховатости поверхности и другие) от предыдущих технологических операций к последующим, качество готовой детали неизменно снижается. Учет металлургической и технологической наследственности позволит построить оптимальный технологический процесс, способный связать воедино производство заготовок, их механическую обработку и эксплуатационные показатели деталей, полученных из этих заготовок.

Основные параметры изделий, наследуемые в ходе технологического процесса их изготовления, делятся на две группы: параметры, связанные с геометрией детали (точность, макро- и микрогеометрия поверхностей и т. п.), и параметры, связанные с материалом детали (химический состав, механические свойства, напряженно-деформи- рованное состояние и структурно-фазовый состав как всего объема, так и поверхностных слоев, и т. п.). При этом самыми существенными технологическими барьерами для наследования параметров второй группы являются операции пластической и термической обработки. Эти операции способны не только устранить отрицательную и усилить положительную наследственность, но и инициировать новый вид технологической наследственности.

Термическая обработка заготовок является эффективным методом регулирования технологической наследственности. Так, например, задавая различные режимы нормализации сталей, можно получать при одинаковых скоростях резания совершенно различные значения шероховатости поверхности. При этом существенно изменяется и параметр рассеивания шероховатости по поверхности. Одновременно с изменением шероховатости изменяются и механические свойства поверхностных слоев заготовок в связи с фазовыми превра-

39

щениями при обработке резанием. Таким образом, одно исследуемое свойство существенно влияет не на один, а на несколько параметров обрабатываемого материала одновременно.

Рассматривая термическую обработку как мощное средство изменения технологической наследственности материала, следует отметить, что не всегда она позволяет полностью ликвидировать вредные свойства от предыдущих операций технологического процесса. Так, наличие хотя бы малых по величине, но всегда имеющихся остаточных напряжений после отжигов может существенным образом оказать влияние на работу прецизионных деталей.

Фазовые превращения при термической обработке должны учитываться при дальнейшей обработке. Например, кинематические пары могут заклиниваться из-за изотермического распада аустенита. В результате такого распада зазоры кинематической пары гасятся. Таким образом, свойства материалов определенного класса, полученные термической обработкой, не исправляются на последующих операциях механической обработки.

Процессы обработки давлением отличаются от других процессов обработки материалов возможностью существенного изменения структуры исходного материала и формирования структуры, обеспечивающей высокое качество изделий. Регулированием механической схемы деформации и основных факторов пластической деформации (температура деформации, степень деформации, скорость деформации) непосредственно при обработке давлением возможно кардинальное изменение дефектной исходной структуры и получение высококачественной структуры, обеспечивающей повышение свойств материала заготовки (например, управление величиной зерна в поковке и изменение технологической наследственности, заключенной в материале, путем выбора степени деформации за один переход и температуры окончания ковки на молоте) [13].

Таким образом, технологический маршрут изготовления прецизионных изделий неизбежно должен включать операции обработки давлением и термической обработки на стадиях как заготовительного, так и обработочного производства.

40