§ 7. Требования к изготовлению деталей при конструировании машин

Возможность применения прогрессивных технологических методов определяется в ряде случаев конструкцией деталей машин. При их конструктивном оформлении нужно учитывать ряд технологических требований. Соблюдение этих требований уменьшает производственные трудности, сокращает цикл производства, повышает производитель­ность труда и снижает себестоимость деталей машин. Эти требования диктуются как технологией производства заготовок, так и техноло­гией их последующей обработки. Особое значение приобретают вопро­сы технологичности конструкции при обработке деталей на станках с программным управлением, агрегатных станках, автоматах и полу­автоматах, а также автоматических линиях.

Конструирование является творческим процессом, поэтому дать общие для всех случаев правила конструирования деталей машин не представляется возможным. Общие направления решения этой задачи можно сформулировать следующим образом.

Конфигурация детали должна представлять собой сочетание про­стых геометрических форм, обусловливающих возможность применения высокопроизводительных технологических методов и предусмат­ривать удобную, надежную базу для установки заготовки в процессе ее обработки; в тех случаях, когда поверхности детали не обеспечи­вают такой базы, должны быть предусмотрены специальные элементы (приливы, бобышки, отверстия) для базирования и закрепления заго­товки; при необходимости эти элементы могут быть удалены после об­работки.

Заданные точность и класс чистоты поверхностей детали должны быть строго обоснованы ее служебным назначением. Необоснованно завышенные требования к точности и чистоте вынуждают вводить допол­нительные операции, удлиняют цикл обработки, увеличивают тру­доемкость процесса обработки и повышают себестоимость детали.

Стандартизация и унификация деталей и их элементов способ­ствуют уменьшению трудоемкости процессов производства и снижению себестоимости деталей в связи с увеличением серийности выпуска и уни­фикацией станочных наладок.

Требования к выполнению заготовок. Требования, предъявляемые к заготовительным процессам следующие.

В крупносерийном и массовом производствах применение специаль­ного профильного и периодического проката в значительной степени сокращает, а часто и исключает механическую обработку. Специальный профильный прокат как исходный материал уменьшает трудоемкость процесса горячей штамповки заготовок. Заготовки профильного сече­ния, не требующие обработки, получают на машиностроительном за­воде методом холодного волочения из сортового проката.

При выполнении заготовок свободной ков­кой желательны простые, симметричные и прямые формы. Следует избегать пересечений цилиндрических элементов между собой и ци­линдрических элементов с призматическими. Следует избегать ребри­стых сечений, бобышек и выступов на основных поверхностях поковки. Нежелательны конические и клиновые формы. Детали, сложная кон­фигурация которых не поддается упрощению в цельном виде, целе­сообразно заменять сварными конструкциями, состоящими из простых элементов.

При конструировании штамповок, получаемых на молотах и прессах, рекомендуется руководствоваться следующими указаниями.

Геометрическая форма заготовки должна обеспечивать возможность ее свободного извлечения из штампа. Выемки и углубления в заго­товках могут выполняться только в направлении движения штампов. Боковые поверхности заготовки должны иметь штамповочные уклоны. В зависимости от отношения высоты стенки к ее ширине штамповоч­ные уклоны принимают 5 15° для наружных и 7 15° для внутренних стенок при отсутствии выталкивателей. При наличии выталкивателей эти величины берут соответственно 2 10° и 3 12°.

Переходы от одной поверхности к другой должны осуществляться с закруглениями. Острые углы по условиям горячей штамповки недо­пустимы. Радиусы закруглений внутренних углов должны быть боль­ше радиусов закруглений наружных углов во избежание брака при штамповании и в целях повышения стойкости штампа. В зависимости от высоты и отношения высоты к ширине элемента радиусы закругле­ний принимают 1,5 12,5 мм для наружных и 4 45 мм для внутрен­них углов.

Следует избегать форм заготовок, вызывающих боковое смещение штампов. Из-за несимметричных скосов заготовки (рис. 5, а) возникает сдвиг штампов и брак продукции. Целесообразно направление волокон в материале заготовки совмещать с ее продольной осью. Нежелатель­но перерезание волокон или изгиб их под малым радиусом. Конструк­ция детали должна, как правило, допускать разъем штампов по пло­скости. Нежелателен разъем по ломаной или криволинейной поверх-

ности. В плоскости разъема должны лежать наибольшие габаритные размеры заготовки (рис. 5, б). В этом случае получаются минималь­ные глубины полостей штампов и обеспечивается их наилучшее запол­нение металлом.

Резкая разница в площадях поперечных сечений заготовки на раз­личных участках ее длины не допускается, так как она затрудняет штамповку и сопряжена с повышенным браком по зажимам и незапол­нению полости штампа.

Тонкие стенки штампуемой детали уменьшают стойкость штампа вследствие быстрого остывания и повышения сопротивления течению металла, обусловливают недоштамповку и повышение брака. Тонкие элементы детали, примыкающие к плоскости разъема, обусловливают большой отход металла и повышенный брак по незаполнению полости штампа (рис. 5, в). Рекомендуется принимать для штамповок из стали D 12s и D 15s для штамповок из алюминиевых и магние­вых сплавов.

Симметричная форма детали относительно плоскости разъема и сим­метричные уклоны выступающих стенок упрощают изготовление штам­пов и процесс штамповки, снижают расход металла на напуски и брак, связанный со смещением штампов. Выступы и ребра не должны быть близко расположены друг к дру­гу, гак как это затрудняет течение металла и заполнение полостей штампа.

Размеры бобышек, в которых производится сверление и последую­щая обработка отверстия, определяют исходя из минимальной толщи­ны стенки после обработки отверстия to возможного смещения штам­пов.

Детали цельной конструкции в ряде случаев можно заменять свар­ными узлами в целях экономии металла и упрощения штамповки; на­пример, сварной узел на рис. 5, г вместо цельноштампованной заготов­ки дает значительную экономию металла и упрощает штамповку. Од­нако в каждом конкретном случае необходимо проверять целесообраз­ность такой замены. Иногда целесообразно сочетание штампованной заготовки и проката (пруток, труба), соединяемых в единое целое сты­ковой или шовной сваркой.

При конструировании поковок, штампуемых на горизонтально ковочных машинах, рекомендуется руководствоваться следующими соображениями.

На горизонтально-ковочных машинах можно штамповать разнооб­разные по конфигурации заготовки; чаще всего они представляют собой тела вращения правильной геометрической формы с фланцами, сквоз­ными или несквозными отверстиями. Толщина стенок деталей с глу­бокими сквозными или глухими отверстиями должна составлять не менее 0,15 наружного диаметра детали.

Сужения в продольном сечении детали затрудняют течение металла при штамповании, поэтому их следует избегать. Хвостовики кониче­ской формы также затрудняют штампование, предпочтительно их де­лать цилиндрическими. Объем фланцев на конце или посередине дета­ли не должен превышать объема стержня данного диаметра d при длине стержня 10 12 d.

Штамповочные уклоны этого вида поковок могут быть очень неболь­шими: 0,5° на высаживаемых в полости пуансона цилиндрических участ­ках поковки длиной более половины их диаметра, 0,5 1,5° на буртах, формируемых в круговых впадинах матриц, 0,5 3° на стенках глухих отверстий длиной пять и более диаметров.

Переходы от одной поверхности к другой должны осуществляться с закругленными радиусом 1,5 2 мм.

Для холодной высадки применяют калиброванный пруток. Высажи­ваемые элементы должны иметь по возможности простую форму при минимальных объеме и диаметре. В целях повышения стойкости холодновысадочных штампов не следует без необходимости уменьшать до­пуски на размеры высаживаемых элементов. Переходы от одной по­верхности к другой должны осуществляться с закруглениями радиусом не менее 0,2 мм.

Листовую штамповку производят из ленты, полосы и листа. Ленту обычно применяют для деталей толщиной 2 2,5 мм, полосу — для деталей толщиной до 10 мм, лист — для деталей больших габаритов. Ребра жесткости, отбортовки и другие конструктивные эле­менты на штампованных деталях позволяют в ряде случаев уменьшить толщину материала. Применением сварки можно также получить значительную экономию материала (см. рис. 6 и 7, а).

Конфигурация детали должна обусловливать минимальный отход металла при раскрое. Для этого контур одной стороны детали по воз­можности должен быть точной копией другой ее стороны; на рис. 7, б приведен пример рационального и нерационального раскроя мате­риала.

Минимальные размеры пробиваемых отверстий в зависимости от их формы (круглое , квадратное, прямоугольное) составляют при пробивке мягкой стали 1,0— 0,7, титановых сплавов 2,0—1,75, латуни и меди 0,9—0,6, и цинка 0,8— 0,5, бакелита и тексто­лита 0,7—0,4, картона и бумаги 0,6—0,3 тол­щины листового мате­риала.

Рис.6

Расположение отвер­стий от контура детали и от соседних отверстий и вырубок принимают для мягкой стали 0,7—1,5 толщины материала. Расстояния от края отверстия до стенки у изогнутых и вытянутых деталей

где R — радиус сопряжения стенки с поверхностью, в которой про­бивается отверстие; s — толщина материала.

Минимальная ширина детали должна быть для мягкой стали в 1,5 раза больше толщины материала.

Предельные отклонения размеров сопрягаемых штампованных де­талей (диаметры и длины) следует назначать . Предельные отклонения несопрягаемых размеров следует назначать А₈ A₉ с двусторонним расположением поля допуска. Повышенная точность штампованных деталей (2 3-й класс точности) может быть получена введением операции чистовой штамповки или зачистки. Шерохова­тость поверхности среза достигается от 5 до 1-го класса для толщин материала от 1 до 5 мм.

При гибке в штампах высота прямой части отгибаемых стенок должна быть больше удвоенной толщины материала. Меньшая высота может быть получена при наличии выдавленной канавки у отгибаемой стенки или последующей механической обработкой.

При гибке в штампах угольников и скоб размер полки в зависи­мости от толщины s материала может быть выполнен со следующими отклонениями :

При вытяжке деталей со значительными по размерам плоскими поверхностями во избежание местных выпучин следует предусматри­вать на этих поверхностях удлиненные и пересекающиеся ребра жест­кости. Сложные трудно выполнимые вытяжкой формы следует расчле­нять на простые элементы с последующим соединением их сваркой или пайкой.

При гибке под углом 90° минимальный радиус изгиба определяют по формуле

r = ks.

Значение k для стали 2,0-0,5; нержавеющей стали -1,0; титановых сплавов 2,0-3,5; латуни 0,3-0,5; алюминия -0,35.

При конструировании отливок конструктор дол­жен решить следующие вопросы: выбрать способ литья, определить положение отливки в форме, выбрать плоскость разъема, установить количество и расположение стержней, назначить толщину стенок от­ливки. Способ литья выбирают с учетом материала детали, ее конфи­гурации, требуемой точности, программы выпуска и срока выполне­ния заказа. Во многих случаях основными наиболее сложными и доро­гими в исполнении деталями машин являются отливки. Поэтому выбор способа литья является важной и ответственной задачей. При решении перечисленных вопросов рекомендуется пользоваться следующими ука­заниями.

Если принять среднюю себестоимость изготовления отливок из се­рого чугуна за 1,0, то для других материалов эта величина составит: ковкий чугун — 1,3; углеродистая сталь —1,6; цветные сплавы 3,0—6,0. Конфигурация отливки должна обеспечивать возможность бес­препятственного извлечения модели из формы и стержней из стержне­вых ящиков. С этой целью необходимо предусматривать формовочные уклоны вертикальных поверхностей отливки, выбирая их величину в зависимости от высоты поверхности (ГОСТ 3212—57). Для внутрен­них поверхностей отливок принимают уклон большей величины, чем для наружных. Следует по возможности избегать отъемных частей мо­дели и сложных поверхностей разъема.

Необходимо учитывать положение поверхностей при заливке и из­бегать значительных по размерам горизонтальных поверхностей, за­нимающих при заливке верхнее положение, так как на этих плоскостях могут возникать газовые раковины.

Следует обращать внимание на беспрепятственное заполнение фор­мы жидким металлом, избегая резких изменений направления и ско­рости его течения.

При конструировании отливки следует учитывать явления ее усад­ки, механического торможения, создаваемого формой и стержнями, и термического торможения, возникающего вследствие разной ско­рости остывания частей отливки. Торможение усадки вредно, так как оно вызывает образование остаточных напряжений в отливке.

Необходимо предусматривать по возможности равномерное охлаж­дение всех сечений отливки и допускать ее свободную усадку; с возник­новением остаточных напряжений связаны коробление отливок и воз­можность появления трещин.

Конфигурация отливки должна обеспечивать возможность беспре­пятственного отрезания прибыли, литников и выпоров, выбивки стерж­ней и удаления каркасов.

На чертежах отливок следует отмечать базовые поверхности, кото­рыми будут пользоваться при механической обработке заготовок; эти поверхности используют также при проверке моделей и отливок. Ба­зовые поверхности должны образовываться моделью и находиться в од­ной опоке в целях исключения влияния на их точность смещений опок и стержней.

При назначении толщины стенок отливок необходимо учитывать размер и вес отливки, применяемый для литья металл и метод литья. Определение толщины стенки расчетом по действующим нагрузкам не всегда дает нужный результат. В малонагруженных местах стенка по­лучается тонкой и ее толщину приходится увеличивать до определен­ного технологического минимума. С увеличением толщины стенки от­ливки из серого чугуна прочность материала всегда понижается. Для отливок из серого чугуна в песчаные формы минимальную технологи­чески допустимую толщину стенки ( мм ) можно определять по формуле

s=(L/200)+4,

где L — наибольший габаритный размер отливки, мм.

Внутренние стенки отливки должны быть на 20% тоньше наружных стенок.

В одной отливке рекомендуется по возможности предусматривать галтели одного радиуса или ограничивать в максимальной степени чис­ло радиусов, различных по величине. Резкие изменения сечений и ост­рые углы в отливке недопустимы. Переходы от одного сечения к друго­му должны быть плавными. Радиусы переходов при сопряжениях в од­ной стенке и угловых сопряжениях двух или трех стенок зависят от толщины сопрягаемых стенок. При местном скоплении металла (рис. 8, а) возможно образование пор, раковин и трещин в отливке.

Ребра жесткости располагают перпендикулярно к плоскости разъема формы (рис. 8, б). В местах перехода от толстой стенки к тонкой ставят литейные ребра. Их толщина составляет 0,5—0,6 от толщины тонкой стенки. Радиусы закругления сопрягаемых поверхностей прини­мают 2—120 мм в зависимости от габаритных размеров поверхностей и углов сопряжения. При конструировании отливок нужно учитывать ход процесса затвердевания и кристаллизации металла. На рис. 8, в показано направление кристаллизации при правильной (внизу) и не­правильной конструкции детали. В отливках из сплавов, имеющих большую усадку, необходимо, чтобы затвердевание происходило сни­зу вверх в сторону прибыли.

При конструировании литых углов необходимо учитывать, что ско­рость затвердевания внешних углов больше, чем внутренних. Тепловые потоки, идущие перпендикулярно к стенкам отливки, у внутренних углов пересекаются, создавая «горячее место», замедляющее остыва­ние. В вершине угла толщину берут на 20—25% меньше толщины со­прягаемых стенок.

Внутренним полостям отливок желательно придавать конфигура­цию, не требующую применения стержней (рис. 8, г, д, е). Это очень важно, так как стержневые работы при изготовлении форм являются наиболее трудоемкими. Соединение двух стержней (рис. 8, ж) устраняет применение жеребеек. Соотношения в размерах внутренних полостей, образуемых частями формы без применения стержней, зависят от по­ложения этих полостей в форме.

При машинной формовке размеры полостей, образуемых частями формы, расположенными в нижней опоке (рис. 8, з) принимают H D;

полости, образуемые частями формы в верхней опоке, должны иметь h 0,3d; при ручной формовке принимают H 0,5D и h 0,15d. Размеры H, D, h и d видны из рисунка. При значительном числе по­лостей, образуемых стержнями, следует стремиться к их унификации. При длине стержня, превышающей его удвоенный диаметр форма по­лости должна предусматривать возможность крепления стержня в обо­их концах. Размеры полостей и диаметры отверстий, образуемых стерж­нями, должны позволять применение металлических упрочняющих кар­касов.

Конструкция отливки должна обусловливать возможность удале­ния из внутренних полостей стержневой смеси и каркасов, а также тщательной очистки внутренних полостей. В закрытых внутренних полостях должны быть предусмотрены специальные усиленные бобыш­ками отверстия для удаления стержневой смеси; после очистки эти от­верстия заделываются заглушками.

Наименьшие высоты бобышек рекомендуется принимать 5 мм при габаритах детали до 0,5 м, 10—15 мм — от 0,5 до 2 м и 20—25 мм — свыше 2 м.

При литье в кокиль толщины стенок площадью до 30 см² можно брать: для силуминов —3 мм, для стали 8—10 мм, для серого чугуна (без отбела) 15 мм. Толщину внутренних стенок и ребер рекомендуется брать 0,6—0,7 толщины наружных стенок.

При литье по выплавляемым моделям можно получить сложные наружные формы заготовок с минимальной толщиной стенок 1—2 мм и минимальным диаметром отверстий 2 мм. Из-за малой жесткости керамической корки следует избегать в заготовках плоскостей боль­шой протяженности.

Требования к механической обработке. Общие требования, предъяв­ляемые технологией механической обработки к конструктивному оформ­лению деталей машин, можно сформулировать следующим образом.

Сокращать объем механической обработки, уменьшая протяжен­ность обрабатываемых поверхностей. Предусматривать допуски на размеры детали лишь для посадочных поверхностей, оставляя свобод­ными остальные размеры. Повышать точность выполнения заготовок имея в виду, что при точных методах выполнения заготовок объем ме­ханической обработки может быть значительно сокращен.

Обеспечивать удобные и надежные базирующие поверхности для установки заготовок в процессе их обработки и простановкой размеров предусматривать совмещение установочных и измерительных баз. Предусматривать возможность удобного и надежного закрепления за­готовки на станке.

Обеспечивать достаточную жесткость детали, обусловливающую восприятие сил резания и закрепления без ощутимых деформаций. При обработке маложестких деталей приходится снижать режимы резания и, кроме того, затруднено одновременно использовать несколько режу­щих инструментов путем совмещения переходов.

Предусматривать возможность удобного подвода высокопроизводи­тельного режущего инструмента к обрабатываемой поверхности. Со­кращать путь врезания инструментов. Предусматривать возможность удобного и эффективного технического контроля обрабатываемых за­готовок.

Предусматривать свободный выход режущего инструмента при об­работке на проход (рис. 9, а, размер A). Конструировать детали с уче­том возможности одновременной установки нескольких деталей для обработки (рис. 9, б).

Технологические требования к элементарным поверхностям деталей машин.

Наружные поверхности вращения. Широко при­менять высадку головок, фланцев, буртов для уменьшения объема ме­ханической обработки и расхода металла. По возможности унифици­ровать элементы тел вращения, в целях использования одних и тех же многорезцовых наладок при их обработке (рис. 10, а). Рекомендуется заменять галтели фасками (рис. 10, б), оформлять сферические вы-1уклые поверхности со срезом перпендикулярно к оси (рис. 10, в) з местах точного сопряжения поверхностей предусматривать выход инструмента (рис. 10, г).

Отверстия. Предусматривать сквозные отверстия, так как их обработка значительно легче обработки глухих отверстий. Конфигу­рация глухих отверстий должна быть увязана с конструкцией приме­няемого осевого инструмента, например зенкера (рис.

11, а) или раз­вертки (рис. 11, б). Ось отверстия должна располагаться от вертикаль­ной стенки детали не ближе определенного расстояния

(рис. 11, в),а для отверстий под соединительные болты

где D — диаметр отверстия; — диаметр описанной окружности гай­ки; R — радиус галтели в месте перехода от стенки к горизонтальной плоскости.

Расстояния между отверстиями назначать с учетом возможности применения многошпиндельных сверлильных головок. Унифицировать расположение и размеры отверстий во фланцах в целях применения многошпиндельных головок. Количество отверстий во фланцах выби­рать таким, чтобы можно было сверлить их нормальной трех- или че­тырех шпиндельной головкой с последовательным поворотом. Во избе­жание поломки сверл при сверлении входная и выходная поверхности должны быть перпендикулярными к оси отверстия (рис. 11, г). Для одновременной обработки нескольких отверстий расположенных на одной оси, рекомендуется последовательно уменьшать размеры от­верстий на величину, превышающую припуск на обработку предшест­вующего отверстия (ступенчатое расположение отверстий).

При сверлении отверстий в пазах назначать их диаметры меньше ширины пазов на 0,5 — 1 мм. Избегать конических отверстий в деталях, не представляющих собой тела вращения. Конструкция вогнутой сфе­рической поверхности должна предусматривать сквозное или глухое отверстие, чтобы при обработке ее не было нулевых скоростей реза­ния (рис. 12, а).

Рекомендуется избегать канавок в отверстиях, обрабатываемых на сверлильных и агрегатных станках, так как это усложняет обработку, а также избегать применения механически обрабатываемых выточек, предусматривая взамен них литые поверхности (рис. 12, б) глубиной t не менее 1—1,5 мм.

Р е з ь б а. Рекомендуется на нарезаемом отверстии применять заходную фаску. Размеры сбега резьбы, нарезаемой метчиком в глу­хом отверстии без канавки, должны устанавливаться в три нитки для деталей из чугуна и в пять ниток для деталей из стали. При резьбофрезеровании наличие канавок для выхода фрезы необязательно.

Резьба должна быть нормализована не только для данной машины, но и для всего завода или данной отрасли промышленности. Следует избегать применения резьб малого диаметра ( 6 мм) в крупных дета­лях ввиду частой поломки метчиков при механическом нарезании таких резьб. При нарезании резьбы на концах валиков предусматривать сбег резьбы.

Плоскости. Конфигурация обрабатываемых плоскостей в плане должна обеспечивать равномерный и безударный съем стружки. Ширину плоскостей необходимо увязывать с нормальным рядом диамет­ров торцовых или длин цилиндрических фрез. Предпочтительна обра­ботка плоскостей на проход (рис. 13, а снизу). В случае, когда не пре­дусмотрен выход для режущего инструмента, переходная часть обра­батываемых

плоскостей должна соответствовать размерам и виду по­верхности режущего инструмента (рис. 13, а сверху). Плоскости бо­бышек и платиков на деталях следует располагать на одном уровне (рис. 13, б). Избегать обработки закрытых площадок (внутри корпус­ных деталей). Обрабатываемые плоскости желательно располагать выше примыкающих элементов (ребер, выступов) (рис. 13, в), это облегчает обработку на проход.

Ф а с о н н ы е поверхности. Радиусы вогнутых и выпуклых поверхностей увязывают с размерами нормальных фрез.

Пазы и г н е з д а. Пазы должны по возможности допускать об­работку на проход. При невозможности обработки на проход переход­ная часть паза должна соответствовать радиусу дисковой фрезы. Глу­бину и ширину пазов выбирают в соответствии с размерами нормальных пазовых фрез. Предпочтительны пазы, обрабатываемые дисковыми, а не концевыми фрезами (рис. 13, г). Радиусы закругления у основания гнезд должны быть одинаковыми по всему периметру и соответствовать размерам и геометрии нормальных пазовых фрез.

Приведенные правила и рекомендации носят общий характер. Для деталей, обрабатываемых на станках с программным управлением, агрегатных станках и автоматических линиях существуют дополнитель­ные рекомендации, учитывающие специфику данной обработки. Эти рекомендации приводятся в специальной литературе.