Лекція 4.
4.1. Вибір напівфабрикату або заготовки у машинобудівному виробництві
Вибір заготовок — один з найважливіших технологічних питань, від правильного рішення якого залежать: раціональна витрата матеріалу; кількість і складність ТО і переходів; трудомісткість і вартість обробки в цілому.
Основними факторами, що впливають на прийняті рішення на даному етапі розробки ТП виготовлення деталі, є: 1) конструкція деталі; 2) матеріал з якого виготовляється виріб; 3) службове призначення виробу; 4) технічні вимоги до готового виробу; 5) програми випуску в рік (Nр); 6) тип виробництва; 7) вид і форма організації виробництва; 8) вартість матеріалу (напівфабрикату); 9) собівартість заготовки, одержуваної тим або іншому методом; 10) витрата матеріалу; 11) собівартість виготовлення деталі з заготовки.
Вибір типу заготовки і методу її одержання повинен забезпечувати мінімальну собівартість деталі. Заготовка – виріб перед першою ТО механічної обробки (ДСТ 3.1109).
Собівартість заготовок, отриманих різними методами, коливається в широких межах.
Вибір заготовки схематично можна представити у вигляді:
Для одержання заготовок використовуються різноманітні ТП. Розглянемо основні з них.
Основні технології заготівельних робіт у машинобудуванні.
У машинобудуванні застосовують такі основні види заготовок: 1) виливка з чавуна, сталі і кольорових сплавів; 2) кування і об'ємне штампування зі сталей і кольорових сплавів; 3) листове штампування заготовок; 4) сортовий і профільний прокат зі сталі і кольорових сплавів; 5) комбіновані (зварені або штампо зварені) заготовки; 6) заготовки з металевих порошків; 7) заготовки з пластмас.
Литі заготовки
Литі заготовки дуже розрізняються між собою в залежності від методу виготовлення виливків. У харчовому машинобудуванні застосовують такі основні методи одержання литих заготовок: 1) литтям у разові форми, отримані ручним і машинним формуванням; 2) литтям у металеві форми; 3) відцентровим литтям; 4) литтям під тиском; 5) литтям по виплавлюваних моделях; 6) литтям в оболонкові форми.
Лиття в разові форми. Разові форми виготовляють з піщано-глинистої суміші і використовують для одержання виливків з різних матеріалів. У таких формах одержують до 80 % (по масі) литих деталей. Лиття у відкриту земляну форму використовують в одиничному і дрібносерійному виробництвах для одержання заготовок простих по конструкції деталей, що мають хоча б одну плоску поверхню. Набагато більш поширено у продовольчому машинобудуванні одержання виливків, форми для яких виготовлені в опоках при ручному або машинному формуванні. Ручне формування по дерев'яних моделях використовується в одиничному і дрібносерійному виробництвах. Машинне формування забезпечує більш високу продуктивність і точність виливків. Використання в цьому випадку дерев'яних моделей виправдано при невеликих партіях деталей, що не перевищують 100 шт. Формування по металевих моделях і модельних плитах, що забезпечує більш високу точність виливків, використовується в крупносерійному і масовому виробництвах.
Лиття в кокіль має такі переваги в порівнянні з литтям у піщані форми: поліпшення структури і механічних властивостей металу; підвищення точності розмірів до /Т 12.../Т 15 і зменшення шорсткості поверхонь виливків до Rz = 80...20 мкм; підвищення продуктивності праці в 2...3 рази; зменшення в 5...6 разів необхідної виробничої площі; зменшення витрат на формувальні матеріали на 60...70 %.
Обмежує застосування кокільного лиття висока вартість складних кокілів і не завжди достатня їхня довговічність, що обумовлюється високою температурою плавлення металу виливка. Наведемо приклади довговічності металевих форм при одержанні виливків з різних матеріалів: легкоплавкі сплави (цинкові, алюмінієві, магнієві) — до сотні тисяч виливків; чавун — 1500...5000 виливків; сталь— 20...70 виливків (більша кількість — малі виливки, менша — великі).
Відцентровий метод одержання виливків застосовується в тих випадках, коли процес заповнення форми рідким металом може бути виконаний за рахунок відцентрових сил. Логічно, що цей метод використовують для одержання заготовок, що представляють собою тіла обертання. Наприклад, борошномельні вальці , втулки, гільзи, труби та ін. Основні достоїнства цього методу: висока точність (/Т12.../Т14); щільна та дрібнозерниста структура металу; жужільні включення накопичуються на внутрішній порожнині виливка і можуть бути вилучені обробкою.
Лиття під тиском — високопродуктивний метод одержання точних виливків. Подальша обробка таких виробів або зовсім виключається, або зводиться до окремих операцій (свердлення отворів малого розміру, нарізування нарізок, зачищення і полірування та ін.). Метод має високу продуктивність - до 6...8 тис. виливків (масою до 0,3 кг) у годину. Застосування методу обмежується високою вартістю прес-форм, довговічність яких залежить від температури плавлення металу. Приклади довговічності: цинкові сплави — 150 000; алюмінієві, магнієві сплави — 40 000; мідні сплави — 5000.
Одержання заготовок литтям по виплавлюваних моделях. З точних методів одержання литих заготовок у харчовому машинобудуванні найбільше широко використовується метод лиття по виплавлюваних моделях. Застосовується він для одержання точних виливків, що не потребують суттєвої подальшої механічної обробки (оздоблювальні операції). Технологія виготовлення форм не вимагає наявності формувальних ухилів. Литтям по виплавлюваних моделях можна одержати виливки з різних матеріалів, але найбільше ефективно воно при виготовленні деталей з важко оброблюваних сталей і сплавів (нержавіючі і жароміцні стали та ін.).
Метод лиття в оболонкові форми, що має поки обмежене застосування в продовольчому машинобудуванні, призначений для одержання точних виливків. Він заснований на властивості термореактивної смолопіщаною суміші приймати форму підігрітої металевої моделі і утворювати щільну швидко затверджувану оболонку.
Щоб додати литим заготовкам такий вигляд і стан, при яких можлива подальша їхня обробка на металорізальних верстатах, роблять попередню обробку виливків (видаляють літники, очищають, знімають напливи і задирки, а в окремих випадках роблять термічну обробку).
Виливка невеликих розмірів з успіхом очищаються струменем води, що містить грубозернистий абразив і кальциновану соду. Поверхневі нерівності і напливи знімають шліфуванням на шліфувально - обдирних верстатах і шліфувальних колах із гнучким валом, а також зрубують пневматичними зубилами.
Для поліпшення оброблюваності різанням і зняття внутрішніх напружень литі заготовки можуть бути піддані термічній обробці.
Заготовки, що одержуються обробкою тиском.
Вільним куванням одержують заготовки порівняно простої форми, із грубою поверхнею і великими припусками на обробку. Їх використовують в одиничному і дрібносерійному виробництвах.
Об'ємним штампуванням одержують заготовки у підкладних і закріплених штампах. У підкладних штампах виготовляють заготовки на кувальних молотах у дрібносерійному виробництві, коли використання штампувальних молотів або пресів і дорогих закріплених штампів не виправдано. Приклади: висадження голівок болтів; одержання дисків з маточиною; втулки з буртом та ін. Таким чином, штампування в підкладних штампах є різновидом кування. Іноді заготовку, попередньо підготовлену вільним куванням за допомогою універсального ковальського інструменту, поміщають у підкладний штамп і відразу на молоті додають їй остаточно необхідну форму. У крупно-серійному і масовому виробництвах для одержання дрібних та середніх по розміру заготовок використовують об'ємне штампування в закріплених штампах, що забезпечує значно більш високу точність і продуктивність. Цим методом можуть бути отримані заготовки різної форми (рис.6). Напівфабрикатом для них служить прутковий прокат.
Рис. 6. Штамповані заготовки.
Холодне висадження (холодне об'ємне штампування) використовується в масовому і крупно-серійному виробництвах найчастіше для виготовлення кріплень, клапанів, дрібних осей з голівкою та ін. Напівфабрикатом служить калібрований прокат, відходи якого надзвичайно малі. Продуктивність холодно - висаджувальних автоматів величезна і досягає 200...400 шт/хв. Точність заготовок /Т8.../Т11, шорсткість Ra = 5...1,25 мкм.
Листовим штампуванням одержують заготовки довільної форми з металевих і неметалічних матеріалів: шайби, прокладки, кожухи, втулки, щитки, ковпачки, кришки, диски, баки, днища апаратів та ін. Напівфабрикатом служить листовий прокат; смуги; стрічки з пластичного матеріалу, що згорнуті в рулон. Матеріали: низько-вуглецева сталь; пластична легована сталь; мідь; латунь зі змістом міді більш 60 %; алюміній та його сплави; магнієві сплави; титан та ін. При товщині напівфабрикату до 6...8 мм здійснюють холодне листове штампування (без нагрівання), а при більшій товщині — гарячу (в умовах нагрівання до кувальних температур). З неметалічних матеріалів використовують органічне скло; фторопласт; текстоліт; гетинакс; фетр; гуму; шкіру та ін.
Достоїнства технології одержання заготовок холодним листовим штампуванням: невелика маса при заданій міцності і твердості; висока точність розмірів; мала шорсткість поверхні, що дозволяє звести оздоблювальні операції до мінімуму; висока продуктивність - до 3...5 тис. деталей за годину.
Холодне листове штампування за допомогою спеціальних штампів широко використовується в крупно-серійному і масовому виробництвах. Гарячим листовим штампуванням з напівфабрикатів товщиною 8...10 мм одержують заготовки днищ і деталей великих апаратів (наприклад, дифузійних і випарних апаратів цукрових заводів), цистерн, ємностей, казанів та ін. Перед штампуванням найбільш раціональне індукційне нагрівання напівфабрикатів.
Заготовки із сортового прокату та комбіновані.
Сортовий прокат зі сталі і деяких кольорових сплавів використовується для одержання заготовок і напівфабрикатів для подальшого виготовлення заготовок обробкою тиском. У харчовому машинобудуванні при виготовленні сталевих заготовок із прокату використовується в більшості випадків гарячекатана сталь. Деталі з прутка виготовляються, як правило, на токарських автоматах, токарно-револьверних, а іноді на токарських верстатах. В інших випадках використовують штучні заготовки, що у заготівельному цеху відрізають від прутка одним з наступних способів: на ножицях і пресах; розпилюванням; відрізними різцями; анодно-механічним різанням; газовим і дуговим різанням.
На гільйотинах відрізають заготовки від листа або смуги (рис.7).
На кривошипних прес-ножицях відрізають заготовки із сортового прокату різного профілю. Пруток 2 (рис.7, а) встановлюється на нижній ніж та просувається до упора 6 і закріплюється притиском 3. Повзун 5 з ножем 4 опускається вниз і під дією зусилля Р преса за один ТПр відрізає заготовку довжиною t. Цей метод досить продуктивний і дозволяє за годину одержати до 300 заготовок діаметром до 50 мм. Недолік метода: невисока точність, поява у місці розрізу утяжин. Тому, як правило, потрібна ТО підрізування торців.
Рис. 7. Відрізка заготовок: а — на кривошипних прес-ножицях; б — анодно – механічна.
Відрізка заготовок від прутка розпилюванням здійснюється такими способами: приводними ножівками, дисковими пилками, абразивними кругами.
Відрізка приводними ножівками має такі достоїнства: простота і дешевизна пристроїв і інструмента; мала ширина пропилу (до 1,5 мм); чистий переріз (Rz = 80...20 мкм); порівняно невелике перекошування (2...2,5 мм на діаметрі 100 мм). Великим недоліком методу є його низька продуктивність, через що в даний час він має обмежене застосування.
Різання дисковими пилками в 6...10 разів продуктивніше різання приводними ножівками. Тому у машинобудуванні ці технології одержали найбільше поширення при розрізуванні прутків будь-якого профілю. Забезпечується відносно невелике перекошування (1,5...2 мм на діаметрі 100 мм) і чистий переріз (Rz = 40...20 мкм).
Відрізка абразивними кругами використовується при використанні твердих матеріалів (загартована сталь, деякі тверді сплави) або при розрізуванні легко деформівних прутків (дрібний фасонний прокат, тонкостінні труби та ін.), що можуть бути деформовані при розрізуванні лезвійним інструментом.
Відрізними різцями відрізають заготовки від прутків круглого прокату або труби на токарських або відрізних верстатах. Розріз виходить точним (~0,1 мм на діаметрі 100 мм) і чистим (Ra = 2,5...1,25 мкм).
Анодно-механічне різання основане на одночасній дії електромеханічного і електроіскрового процесів, що протікають у середовищі електроліту, яким служить водний розчин рідкого скла. Інструмент — катод 2 (рис.7, б), яким служить обертовий диск із м'якої сталі, стикається з напівфабрикатом — анодом f. У зону контакту по трубі 3 подається розчин рідкого скла у воді. Диск і заготовка підключаються до генератора постійного струму. При проходженні струму через ванну на поверхні напівфабрикату утворюються плівки продуктів розчинення металу, що механічно віддаляються диском, що обертається. Крім того відбувається оплавлення мікроскопічних ділянок напівфабрикату і розплавлені частки також віддаляються диском. Цей метод використовується для різання напівфабрикатів з важкооброблюваних струмопровідних матеріалів будь-якої твердості.
Заготовки з листа значної товщини часто одержують газовим різанням. Наприклад, вирізка заготовок плоских кулачків складної форми для продовольчих автоматів (загорткових та ін.), як правило, здійснюється на напівавтоматах для газового різання по копіру з невеликим припуском на обробку. Газовому різанню піддаються тільки ті метали, температура плавлення яких вище температури запалення, а їхні окисли плавляться при більш низькій температурі, чим сам метал. До їхнього числа відносяться мало - і середньо-вуглецеві і деякі леговані сталі. Не можна різати алюміній, мідь і їхні сплави, чавун.
Перед відправленням напівфабрикатів з прокату в механічний цех їх найчастіше піддають попередньому виправленню.
Круглий прокат діаметром 0,25...8 мм поставляється в бухтах або мотках. Для його виправлення з подальшим різанням на прутки застосовують правильно-відрізні автомати. Точність виправлення 0,5...0,7 мм/м. Виправлення круглого прокату діаметром 8...100 мм може виконуватися на правильних верстатах. Точність виправлення чорного прокату — 0,5...0,9 мм/м.
В одиничному і дрібносерійному виробництвах застосовують ручне виправлення або за допомогою ручних гвинтових пресів і струбцин.
Штучні заготовки правлять на пресах. Місцева кривизна не повинна перевищувати 0,15 мм/м. Листовий прокат товщиною до 40 мм і довжиною до 3 м правлять на листоправильних вальцях з точністю 1...2 мм/м.
Комбіновані заготовки застосовують для виготовлення сталевих деталей складної форми. Спочатку готують окремі більш прості елементи, які можна відрізати від сортового прокату, відкувати, відштампувати, відлити, а потім з'єднати зварюванням. Штампозварні заготовки (рис.8) широко використовуються для одержання невеликих деталей складної форми; зварно-литі — для одержання станин, траверс пресів, статорів турбін та ін. Зварені заготовки із сортового прокату використовуються для одержання східчастих валів з великим перепадом діаметрів, трубоварів з увареними цапфами та ін. Слід відмітити, що трудомісткість виготовлення, а в багатьох випадках і маса комбінованих заготовок виявляються значно меншими, чим заготовок монолітних.
Рис.8. Штампо - зварні заготовки.
Запитання для самоперевірки:
Поняття заготовки, визначення, приклади.
Основні фактори, що визначають вибір заготовок.
На які аспекти технологічного процесу впливає вибір заготовок.
4. Основні технології виготовлення заготовок.
Література: [1, с.59-67; 2, с.3-87].