2.2 Разработка технологии термической обработки

В соответствии с руководящими документами по ЕСТПП при разработке технологических процессов решаются следующие вопросы:

1. Анализ исходных данных (чертеж, программа выпуска изделий, стандарты, справочники);

2. Выбор вида технологического процесса: типового, группового, единичного;

3. Выбор исходной заготовки;

4. Разработка операций термической обработки, включая транспортировку и контроль качества изделий;

5. Соблюдение требований техники безопасности и экологии при выполнении технологического процесса;

6. Расчет экономической эффективности разработанного процесса;

7. Оформление технологической документации (технологическая карта).

Рассмотрим кратко, что включает каждый из семи перечисленных пунктов. При этом следует отметить, что пункты 5 и 6 освещаются и прорабатываются соответственно в разделах курсов по технике безопасности, БЖД и экономики, организации производства.

Исходные данные при проектировании термической обработки разделяются на базовые, руководящие и справочные. Базовые данные – это информация, содержащаяся в чертежах деталей, спецификациях, технических условиях на изготовление и годовая производственная программа их выпуска. Руководящие данные включают в себя информацию из стандартов всех уровней на технологические процессы и методы управления ими, перечень оборудования и оснастки, производственные инструкции, отраслевые руководящие материалы, информацию из классификаторов. Справочные сведения – это информация, взятая из книг, справочников, каталогов, периодической литературы, данные по ранее разработанным типовым технологическим процессам, а также методики расчета экономической эффективности, типовые компоновки оборудования.

Выбор вида технологических процессов зависит от особенностей технологического процесса, которые характеризуются возможностью одновременной обработки значительного числа как одноименных, так и разноименных деталей, удобством применения различных приспособлений для термической обработки. Технологический процесс (ТП) может быть: единичным, групповым, типовым. При единичном ТП обрабатывается одна или несколько деталей; при групповом – количество деталей сравнительно невелико; при типовом – ведется обработка различных деталей из разных материалов по одному ТП. Передовым производством считается такое, где наиболее широко используются групповые и типовые технологические процессы.

Под типизацией ТП понимается выполнение следующего комплекса задач:

1. Классификация заготовок и деталей по конструкторско-технологическому подобию. Данная операция выполняется на основании классификаторов изделий;

2. Систематизация и анализ возможных технологических решений по термической обработке изделий для получения заданных свойств;

3. Проектирование (разработка) оптимального для данного производства типового процесса термической обработки.

При термической обработке параметрами конструкторского технологического подобия являются следующие параметры: вид термообработки (предварительная или окончательная); операции термообработки; их название; параметры: температура нагрева, скорости нагрева и охлаждения и др.; марка материала; эффективное сечение изделия; его габаритные размеры.

При применении типовых или групповых ТП достигается снижение трудоемкости и сокращение сроков ТПП.

Выбор исходной заготовки зависит от этапа проведения термической обработки. Она может выполняться как предварительная, так и окончательная. При нагреве и охлаждении изделий всегда происходит изменение его формы и размеров, поэтому предварительную термообработку (ПТО) желательно проводить только на заготовках или полуфабрикатах. К ним относятся отливки, штамповки, поковки, прокат, прессованные изделия, все они имеют значительный допуск на размеры и, следовательно, при термообработке возможно допустить значительные коробление и деформацию.

Окончательную термическую обработку (ОТО) проходят изделия или после предварительной механической обработки или после чистовой мехобработки, поэтому на эти изделия допуск на коробление и деформацию весьма мал. Необходимо помнить, что при ОТО глубина прокаливаемости должна быть больше, чем допуск на шлифование при чистовой обработке, чтобы не снять весь упрочненный при термической обработке слой. Следовательно, выбор размеров исходной заготовки выполняется при согласовании с технологическими службами других подразделений.

Разработка операций термической обработки включает в себя название этих операций и их параметры. Сюда входит установление температуры нагрева, времени нагрева, выдержки и охлаждения, среда нагрева и охлаждения. Кроме основных операций термической обработки предусматриваются дополнительные – очистка от окалины или масла, правка деталей, их транспортировка. На каждой операции необходимо предусмотреть контроль качества изделий, оговорив приборы, методы контроля, количество проверяемых деталей.

Оформление технологической документации выполняется в соответствии с требованиями единой системы технологической документации (ЕСТД). Назначением ЕСТД является применение единых форм бланков при оформлении технологических процессов в пределах России; обеспечение единых требований к заполнению этих бланков, когда вся информация вводится в них с использованием служебных символов. В соответствии со стандартами технологическая документация для оформления ТП термической обработки включает документы на единичный и типовой ТП.

Документация для единичного ТП состоит из следующих: титульный лист; форма 1 – первый лист технологической карты; форма 1 б – ее последующие листы. Для типового ТП перечень документов включает следующие: форма 2 – первый лист технологической карты; форма 2 б – ее последующие листы; ведомости деталей, обрабатываемых по типовому ТП; карты эскизов этих деталей. В технологических картах дается вся информация по операциям термической обработки, контролю качества изделий и их транспортировке.

Контрольные вопросы

1. Организация и управление процессом технологической подготовки производства выполняются в соответствии с ..., назначение которой ... .

2. Перечислите конструкторские документы, которые необходимы технологу-термисту для разработки технологии.

3. Поясните, к какому типу исходных данных относятся: чертеж детали, годовая производственная программа и классификатор заготовок.

4. Перечислите факторы, подтверждающие необходимость знания годовой производственной программы при разработке технологии термообработки.

5. Укажите цель технологической подготовки производства.

6. Поясните, к какому типу исходных данных относятся: методика расчета экономической эффективности, стандарты на стали и технические условия (ТУ) на изготовление.

7. Перечислите вопросы, решаемые при выборе исходной заготовки, и знание, какого из них необходимо для разработки технологии ХТО.

8. Назначение и цель составления технологического классификатора.

9. Укажите параметры, на основании которых разрабатывается типовой технологический процесс.

10. Приведите пример типовой технологии, по которой можно обрабатывать детали из разных марок сталей. Назовите основной параметр, по которому выполняется такая типизация.

11. Перечислите документы, установленные ЕСТД при оформлении технологии термообработки.

Технологичность изделий при термической обработке. Факторы технологичности: марка материала, форма и размеры изделий, стадия изготовления, технические требования и допуски на параметры.

План лекции

1.Устойчивость технологического процесса

2. Классификация технологий термической обработки

3. Совместимость процессов термической обработки с другими видами обработок

4. Основные дефекты металлических изделий

5. Выбор технологии термической обработки

Технологичность деталей и изделий – это проверка взаимной совместимости их конструкции с разработанной технологией получения и возможностью обеспечения требуемых свойств наиболее простыми способами при минимальных затратах труда, энергии и материалов. Критерием технологичности изделий служит их комплексная характеристика, позволяющая установить метод выполнения операций с получением заданных свойств, выбрать требуемое оборудование и приспособления, средства механизации и автоматизации.

Степень технологичности определяется характером обрабатываемых деталей (изделий) и зависит от следующих факторов:

1. Марки материала, из которого данная деталь изготовлена;

2. Формы и размеров;

3. Стадии изготовления;

4. Технических требований на свойства и пределов (допусков) на отклонение от них.

Рассмотрим кратко влияние каждого фактора на технологичность деталей при термической обработке.

Марка материала. Технологичными считаются изделия, изготовленные из металлов и сплавов, способных закаливаться в мягких охлаждающих средах или на воздухе, с высокой глубиной прокаливаемости, а также при нагреве не склонных к сильному росту зерна, окислению, флокенообразованию.

Применительно к сталям наиболее технологичны материалы, имеющие при нагреве низкую обезуглероживающую способность, не склонные к отпускной хрупкости, допускающие непосредственную закалку с температуры цементации и нитроцементации после подстуживания или даже без него.

Показателем технологичности производства в некотором роде является небольшое количество марок материалов, так как уменьшается число температурных режимов обработки, что не требует частых перенастроек оборудования. Изготовление массивных и сложных по конфигурации деталей из легированных сталей является технологичным, так как позволяет получать заданные свойства при закалке в умеренных охладителях, что уменьшает их коробление, при этом сохраняется требуемая прокаливаемость.

Форма и размеры. Детали являются технологичными, если имеют простую форму в большинстве случаев симметричной конфигурации, без выступающих острых граней и резких переходов от одного сечения к другому, без значительных различий в массе детали на отдельных ее частях. С целью повышения степени технологичности изделия направляются на термическую обработку без отверстий, канавок, пазов, прорезей и других особенностей их геометрии, в которых концентрируются напряжения при нагреве и охлаждении (рис. 1). Тонкие длинномерные детали имеют низкую технологичность из-за повышенной склонности к короблению, что требует применения специального оборудования или приспособлений при термической обработке.

Рис. 1. Влияние формы деталей на технологичность: а – правильная; б – неправильная

Понятие технологичности изделий применительно к различным операциям термической обработки не однозначно. Так при высокочастотной закалке сложность формы детали затрудняет проведение процесса, однако при химико-термической обработке (ХТО) сложность формы практически не скажется на трудоемкости ее выполнения. Изделия, имеющие тонкие стенки и переходы, из-за большой хрупкости и опасности получения трещин в процессе закалки подвергать ХТО нецелесообразно, к таким деталям относятся резьбовые изделия, у которых резьба защищается от насыщения. Если требуется местное упрочнение детали, то применение высокочастотной закалки более технологично, чем ХТО.

На машиностроительных заводах повышение технологичности изделий ведется в направлении местного упрочнения деталей закалкой токами высокой частоты (т.в.ч.) с предварительным объемным упрочнением улучшением, вместо трудоемкой ХТО. При этом следует соблюдать следующие простые условия выполнения поверхностного упрочнения т.в.: при обработке ступенчатых валиков должна оставляться незакаленной полоса в месте перехода ступеней; у деталей с пазами для предупреждения перегрева и оплавления острых кромок в местах перехода стенки детали в паз незакаленным должен быть участок шириной 6-8 мм.

Повышение технологичности за счет изменения формы и размеров изделий иногда достигается применением различных конструкторских, технологических и организационных мероприятий. Так в некоторых случаях путем не значительного изменения конструкции детали обеспечивается более устойчивая к поводке и короблению ее форма.

Стадия изготовления. В целях повышения технологичности выявляется та стадия изготовления детали, после которой наиболее целесообразна ее термическая обработка. При сложной форме изделия оно запускается на термическую обработку на более ранней стадии изготовления, когда заготовка имеет значительный припуск, обеспечивающий более устойчивую форму в отношении искажения ее геометрии при нагреве и охлаждении.

На основании выявления закономерностей изменения формы в результате термической обработки некоторых деталей при механической обработке они изготавливаются заведомо неправильной формы с учетом характера этих искажений. Благодаря последующим температурным воздействиям и структурным изменениям изделия приобретают на последующих операциях термообработки нужную форму и размеры, соответствующие чертежу. При выходе размеров или деформации изделия за пределы допуска допустимо применение легкого шлифования готовых деталей. При этом необходимо помнить, что глубина упрочненного слоя, полученная при термической обработке должна быть больше, чем слой, снятый шлифованием.

Технические требования на свойства и пределы допуска на них.

Основным фактором, определяющим выбор технологии термической обработки изделий, являются технические требования к их свойствам. Технические требования определяют характеристики качества готовых изделий и устанавливают порядок и методы их приемки и испытания. На различных стадиях изготовления деталей эти характеристики не равнозначны, есть требования на готовые изделия и заготовки (полуфабрикаты) на различных этапах их получения. Основным документом обычно является конструкторский чертеж детали, где указываются технические условия на свойства: твердость, глубина упрочненного слоя, механические характеристики, с указанием категории прочности (КП), группы контроля, величины деформации, коробления, чистоты поверхности, наличие вмятин, царапин и других дефектов.

При разработке технологического процесса большое значение имеют допуски по отклонению свойств, геометрии и чистоты поверхности изделий, определяющие как разности между наибольшими и наименьшими показателями свойств и размеров изделий, и характеризуют требуемую точность изготовления и обработки. Неизбежность отклонений показателей свойств при осуществлении термической обработки обуславливается: колебанием содержания отдельных химических элементов в различных плавках одной и той же марки; неодинаковыми условиями изготовления одного и того же изделия на предыдущих операциях (разные смены, времена года, условия обработки); теплотехническими допусками термического оборудования.

Величина допуска оказывает большое влияние на характер технологии и организацию термической обработки. При значительной величине допуска представляется возможным производить обработку более простым способом с большими отклонениями показателей режимов термической обработки, такие изделия считаются высокотехнологичными. Для изделий с минимальными допусками термическая обработка связана со значительными сложностями. Эти изделия являются низко технологичными. В этом случае необходимо предусмотреть механизацию и автоматизацию выполнения всех операций, применение современного оборудования, установленного в поточные линии, что экономически оправдано только в условиях массового и крупносерийного производства. Поэтому при определении величин допуска необходимо руководствоваться не только конструкторскими требованиями, но и экономическими соображениями. По величине допуски могут быть широкие, средние и узкие (табл. 1). Допуски устанавливаются по всем характеристикам, начиная с марок материалов.

Таблица 1

Характеристика свойств и технологичность

Технологичность, в известной мере, обуславливается масштабом производства. Изделия, обладающие высокой степенью технологичности в условиях массового производства (детали подшипников, мерительный инструмент и др.), имеющего специальное оборудование и приспособления, оказываются низко технологичными в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Устойчивость технологического процесса

Устойчивость технологического процесса термической обработки – это однообразное повторение операций с заранее установленными нормами допусков и получение изделий с требуемым уровнем свойств. Обеспечение устойчивого технологического процесса способствует повышению качества, надежности и долговечности деталей машин и механизмов. Повышению этих характеристик способствует:

1. Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов, устраняющая влияние субъективного фактора, обеспечивающая полное и однообразное выполнение повторяющихся приемов и технологических параметров для всех изделий, обрабатываемых партиями;

2. Обеспечение устойчивого выполнения предыдущих операций обработки (литье, обработка давлением горячая или холодная, механическая обработка);

3. Увеличение объема контроля деталей – переход от выборочного к полному (100%) контролю, а также проведение системных анализов случаев брака.

Третий путь повышения устойчивости считается косвенным, но широко применяется в производственных условиях, так как является легко выполнимым и не требует дополнительных затрат на приборное обеспечение и оснастку для его выполнения.

Устойчивость технологического процесса термической обработки можно оценить количественно, как отношение количества деталей, забракованных после термообработки, к общему числу забракованных изделий по всей технологической цепочке их изготовления. Это соотношение будет характеризовать устойчивость только техпроцесса термической обработки. Таким же путем можно выявить соотношение забракованных деталей, изготовленных по одному технологическому варианту, по отношению к числу негодных деталей, прошедших обработку по другому варианту процесса. Например, лабораторные испытания качества шестерен после цементации и последующей термической обработки показали, что в среднем около 10% от всего количества шестерен имеют неудовлетворительные результаты. Основное количество бракованных шестерен не соответствовало требуемой форме и размерам. Замена цементации нитроцементацией позволило снизить количество брака в среднем до 5%. Таким образом, внедрение нитроцементации повысило устойчивость технологического процесса при ХТО примерно в 2 раза.