3.5. Конструирование машин, сборочных единиц и деталей

Компоновка машины. Процесс конструирования представляет собой поэлементное создание машины по ее принципиальной схеме.

Конструирование как органическая часть и логическое развитие проектных решений направлено на выполнение требований, совокупность которых обеспечивает технические и качественные показатели машин: экономическая целесообразность создания; технологичность изготовления деталей при заданной уровне их унификации и стандартизации; минимизация массы и габаритных размеров; жесткость и прочность деталей; технологичность сборки (монтажа) составных частей; удобство и технологичность эксплуатации и ремонта; безопасность при работе и обслужива­нии; эргономичность; эстетичность (дизайн).

Разработка технической документации на верхнем уровне (предварительное и эскизное проектирование) предполагает в основном внешнюю общую компоновку основных сборочных единиц и машины в целом на базе заданной ее функционально-структурной схемы. При разработке конструкции отдельных сборочных единиц деталей и их элементов отрабатываются вопросы внутренней компоновки. При компоновке необходимо двигаться от общего к частному.

Внешняя компоновка предусматривает относительное расположение сборочных единиц и их присоединительных элементов, оценку соразмерности отдельных сборочных единиц, т.е. отрабатываются вопросы технической эстетики.

В соответствии с требованиями стандартов все типовые элементы конструкции при компоновке изображаются упрощенно. Наиболее важным на стадии расчета и разработки принципиальной схемы является выбор параметров машины в целом, ибо частные конструктивные ошибки сравнительно легко исправим. Ошибка же в основополагающих решениях исправлению не подлежит. Если внешняя компоновка частей машины выполнена в соответствии с техническим заданием, то тем самым доказана техническая возможность его реализации.

Рационально скомпонованная машина должна иметь минимальные габаритные размеры при обеспечении максимальных удобств монтажа, демонтажа, эксплуатации, а также отражать соответствие формы ее функциональному назначению, т.е. отвечать требованиям технической эстетики и дизайна. При внутренней компоновке решаются задачи пропорциональности основных размеров деталей. Такая увязка обязательно сопровождается ориентировочными расчетами деталей на прочность и жесткость. В процессе внутренней компоновки сборочной единицы отрабатывается удобство сборки и разборки.

Компоновка сборочной единицы должна обеспечивать общую сборку без промежуточной разборки и повторных сборок составных частей. К местам в машине, требующим контроля, регулировки или проведения подготовительных работ, должен быть обеспечен удобный доступ.

Общие требования к конструкции деталей. Размеры всех элементов детали должны выбираться (или округляться) до значений, содержащихся в рядах предпочтительных чисел. Конструкция детали должна быть такой, чтобы обеспечивалось ее изготовление из стандартных и унифицированных заготовок. Точность размеров, шероховатость поверхностей, выбранный материал детали и вид его обработки должны быть экономически и конструктивно обоснованы. При этом заготовка для разрабатываемой детали должна быть получена рациональным способом с учетом типа производства и объема выпуска.

Если деталь входит в состав какого-либо изделия, требования к ней должны соответствовать общим требованиям, предъявляемым к изделию.

Используемые в машиностроении детали можно классифицировать по различным критериям. В зависимости от этого к ним предъявляются различные требования:

по типовым конструктивным признакам элементов (детали типа тел вращения – цилиндры, валы, оси, пальцы; детали типа дисков – маховики, шестерни, колеса, шкивы, звездочки);

по способу получения заготовок деталей (литье, ковка, штамповка, сварка, комбинированные и т.п.);

по функциональному назначению (для передачи крутящего момента, соединения, корпусные детали, рамы, плиты).

Каждая деталь машины, несущая какую-либо нагрузку в машине, в процессе конструирования проходит следующий путь: создается расчетная схема и определяются действующие нагрузки; определяются размеры опасных сечений и назначается материал детали; разрабатывается конструкция детали.

При создании и отработке элементов детали следует стремиться к упрощению ее конструкции. Чем проще деталь, тем дешевле ее изготовление, выше качество и производительность труда. Выполнение требований по полной (или частичной) унификации деталей приводит к уменьшению номенклатуры выпускаемых деталей, позволяет использовать более производительное оборудование и технологическую оснастку.

Выбор рационального метода изготовления детали. При рассмотрении вариантов конструкции детали необходимо провести тщательный технико-экономический анализ и остановиться на наиболее рациональном из них.

Литье позволяет получить практически любые по сложности конфигурации детали из очень широкого ассортимента сплавов. При этой обеспечиваются минимальные припуски на последующую обработку резанием. Метод литья при получении заготовок отличается высокой универсальностью, так как его можно применять в самых различных производственных условиях. Технологичность конструкции литой детали отрабатывается с учетом выбранного метода литья и требуемых механических и эксплуата­ционных свойств.

Общие технологические требования к литым заготовкам сводятся к следующему:

отливки должны иметь конфигурацию, максимально приближающуюся к очертаниям готовой детали;

отливки должны иметь высокую размерную точность, минимальные припуски на обработку и малую шероховатость поверхности;

детали должны иметь простые внешние очертания (без резких углов, поворотов, высоких ребер и выступов) и минимальное число внутренних полостей;

отливка не должна содержать элементов, способствующих образованию усадочных трещин и термических напряжений;

в отливке необходимо предусматривать конструктивные уклоны, оптимальную толщину стенки, требуемые радиусы внешних и внутренних округлений;

конструкция детали должна обеспечивать технологичность модели, а также использование простой и дешевой оснастки.

Конструктивные формы литых деталей, характер и величина действующих нагрузок, а также условия эксплуатации предопределяют выбор материалов для их изготовления.

Технологичность конструкций отливок можно оценить количественно коэффициентами габаритности:

,

где – объем отливки, дм³; – масса отливки, кг.

Чем меньше , тем рациональнее конструкция отливки.

Горячая обработка металлов давлением дает возможность получать заготовки, готовые детали, а также сортамент, используемый в машиностроении для создания рамных конструкций. По сравнению с отливками кузнечные заготовки в виде кованых и штампованных поковок имеют более простые формы. Для их получения требуется сложное и громоздкое специальное оборудование. Однако кованые и штампованные заготовки находят широкое применение в машиностроении благодаря высоким механическим свойствам термообработанных поковок по сравнению с другими видами заготовок. Для единичного или мелкосерийного производства экономически более целесообразна ковка. В условиях массового производства горячая штамповка обеспечивает высокую производительность и малую себестоимость деталей.

Холодная листовая штамповка, а также штампосварные конструкции весьма широко используются в машиностроении. Этому способствуют конструктивные и технологические достоинства метода, жесткость, прочность и незначительная масса получаемых деталей. Листовая, штамповка обеспечивает низкую трудоемкость изготовления и стоимость деталей при достаточно высокой точности, стабильности размеров и наиболее рациональном использовании материалов. Фактически – это метод получения готовых деталей, а не заготовок, так как механическую обработку после штамповки применяют редко и в незначительном объеме.

На конструкцию листоштампованной детали существенно влияет масштаб производства. Конструкция, рациональная для массового производства, может оказаться не технологичной для мелкосерийного, и наоборот.

При конструировании деталей следует соблюдать следующие основные требования: материал должен обладать максимальной пластичностью; желательно, чтобы деталь была изготовлена за один штампованный переход; допуски на размеры штампуемых деталей должны соответствовать традиционным способам штамповки.

Сварные соединения в конструкциях машин составляют значительную часть. Элементы, из которых сваривают заготовки деталей, могут быть получены из сортового проката (листового, профильного, полосового, труб и т.п.), отливок, ковки, объемной и листовой штамповки. В зависимости от этого сварные заготовки называют сварнолитыми, сварно-штампованными и т.п.

Технологичность сварных заготовок деталей машин определяется конструкцией составляющих их элементов, способом сварки, материалом деталей и сварочными материалами, формой сварного соединения, которые позволяют обеспечивать заданное качество конструкций при наименьших затратах времени и средств.

Способ сварки определяется типом производства (единичное, серийное, массовое), конструкцией детали, материалом, видом соединения и требованиями, предъявляемыми к сварочному шву. От выбранного способа сварки зависят тип и рациональная форма сварных соединений.

В качестве заготовок или готовых деталей в машиностроении с каждым годом все чаще используются изделия из разнообразных марок пластмасс. Пластмассы по сравнению с металлом характеризуются более низкими механическими свойствами и объемной массой. Производство деталей из пластмасс отличается высокой технологичностью и может быть осуществлено различными методами, выбор которых определяется свойствами конкретного вида пластмасс, конструкцией детали и требова­ниями, предъявляемыми к изделию.

В зависимости от физического состояния и технологических свойств детали из пластмасс получают: в вязкотекучем состоянии (прессование, литье под давлением, выдавливание, т.е. экструзия); в высокоэластичном состоянии (пневмо- и вакуумформовка, штамповка); под действием центробежных сил из жидких пластмасс (центробежное литье), обработкой резанием и разделительной штамповкой в твердом состоянии; склеиванием, либо сваркой из отдельных элементов.

При конструировании нагружаемых пластмассовых деталей широко применяется их армирование в виде металлических каркасов или местных металлических элементов (гнезд с резьбой, втулок, скоб и т.п.)

При конструировании деталей из пластмасс необходимо стремиться к их максимальной простоте, обусловливающей использование наиболее простых и дешевых пресс-форм и обеспечивающей высокую производительность процесса прессования.

Подавляющее большинство деталей, получаемых из различных заготовок (литых, кованых, штампованных и пр.), на окончательной стадии обработки проходят механическую обработку резанием, после которой они приобретают окончательную форму, размеры и качество поверхностей. Механическая обработка даже самого простейшего элемента детали связана с затратами времени и средств. В современном машиностроении, где эти процессы доставляют до З0...35% общей трудоемкости изготовления машин, отработка конструктивной технологичности деталей имеет первостепенное значение.

На технологичность конструкции деталей, обрабатываемых резанием, влияют как технические факторы (обрабатываемость резанием, форма и размеры детали, требования точности и шероховатости поверхности), так и организационные (серийность производства). Так, в единичном и мелкосерийном производстве каждая операция может потребовать (и это допустимо) изменения взаимного положения обрабатываемой детали и инструмента, замены инструмента, перевода детали на другой станок и т.п. В серийном и массовом производстве (темп работы требует минимальных затрат времени и переналадок) для выполнения какой-либо операции может потребоваться специальный станок либо усложнение агрегатного станка. Учитывая это, механическую обработку следует назначать толь­ко в тех случаях, когда она действительно необходима по конструктивным, технологическим или иным соображениям. Так механическую обработку назначают на всех посадочных и опорных поверхностях. Исключение составляют лишь неподвижные или перемещающиеся с незначительными ско­ростями поверхности, к чистоте и качеству которых предъявляются пониженные требования (например, рабочие поверхности зубьев литых колес, и звездочек, поверхности литых и кованых тяговых цепей, неответственные поверхности деталей из проката).

Трудоемкость механической обработки тем выше, чем больше поверхностей подвергают обработке, чем сложнее их конфигурация и выше требования по точности и шероховатости.

Значительная часть деталей в процессе изготовления на различных стадиях подвергается упрочняющей обработке. Это связано с возрастающей интенсивностью нагружения машин и одновременным требованием уменьшения массы, а также повышением долговечности их эксплуатации. Наиболее распространены термическая, химико-термическая, механическая и термомеханическая обработки. Использование какой-либо из них способствует значительному повышению соответствующих механиче­ских свойств материала деталей.

Требования к конструкции, возникающие при сборке. Когда процессы изготовления отдельных деталей и неразъемных единиц завершены, проведены все операции упрочняющей обработки деталей, наступает наиболее сложный и ответственный этап создания машины – ее сборка и монтаж. Трудоемкость сборочно-монтажных операций в зависимости от сложности машин, уровня механизации сборочных операций и конструктивного совершенства создаваемой машины может составлять 20...70% ее стоимости. При создании конструкции требования, диктуемые сборкой, следует учитывать, возможно полнее, что позволит достичь тех параметров качества, которые определены проектно-конструкторской документацией.

Условия высокопроизводительной и качественной сборки обеспечиваются: полной взаимозаменяемостью деталей и узлов; минимальным количеством деталей каждой сборочной единицы, что достигается наиболее простой и рациональной ее схемой; удобным подходом монтажного инструмента и максимальным использованием средств механизации и автоматизации сборки; независимой и параллельной сборкой отдельных сборочных единиц и обеспечением агрегатного (модульного) способа сборки.

Сборка с полной взаимозаменяемостью экономически целесообразна в массовом и серийном производствах. Полная взаимозаменяемость требует высокой точности изготовления деталей, что значительно повышает их себестоимость. Поэтому в машиностроении используют сборку с неполной взаимозаменяемостью, к которой относят: селективную сборку, для реализации которой детали изготовляют с расширенными допусками, а перед сборкой сортируют по заранее установленным градациям размеров; сборку с регулировкой, для реализации которой в механизме предусматривается регулирующий элемент – компенсатор; сборку с прогонкой, для реализации которой предусматривают изменение размера замыкающего звена в размерной цепи.

Независимая и параллельная сборка отдельных сборочных единиц достигается рациональным членением изделия на самостоятельные сборочные единицы. При этом общее время изготовления резко сокращается. Наиболее рациональный вариант конструкции – сборочная единица, отвечающая одновременно условиям независимой сборки и функционального назначения. Такая сборочная единица называется конструктивно-технологической, а принцип конструирования машин из таких единиц – агрегатным (модульным), или блочным. Машины, спроектированные по модульному принципу, всегда имеют более высокие технико-экономические показатели, как при изготовлении, так и в эксплуатации и ремонте. К конструктивно-технологическим единицам можно отнести коробки передач, насосы, клапаны и т.п.

Эксплуатационная технологичность конструкции машины. Под термином «Эксплуатация машины» понимают время жизненного цикла, в течение которого реализуются, поддерживаются и восстанавливаются ее качественные показатели. К процессу эксплуатации относят и подготовку к использованию, транспортирование, хранение, а также техническое обслуживание и ремонты.

Поэтому, с точки зрения эксплуатационной технологичности, наиболее рациональной считается такая конструкция, которая при заданной надежности в процессе эксплуатации имеет минимум отказов и требует минимальных затрат на обслуживание и ремонт. Эксплуатационная технологичность конструкции характеризуется такими основными показателями надежности: безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью (ГОСТ 27.002-89).

Безотказность – свойство сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Долговечность – это свойство изделия сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Эти свойства взаимосвязаны на всех этапах создания машины и закладываются в процессе отработки как принципиальной функционально-структурной схемы машины, так и при непосредственном конструировании какой-либо детали или сборочной единицы.

Лекция 11 (4. ОСНОВЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ; 4.1. Общие положения; 4.2. Роль стандартизации в повышении эффективности производства и качества продукции; 4.3. Качество машин и его оценка; 4.4. Научно-технические принципы и методы стандартизации; 4.5. Параметрические и типоразмерные ряды машин и методика их установления)