Разработка технологического процесса
Изготовления детали на станках
По программе раздела: "Обработка материалов резанием, должен быть разработан процесс:
• по виду - единичный, т.е. технологический процесс, относящийся к изделиям одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства;
• по степени детализации содержания - маршрутно-операционный.
Разработка технологического процесса изготовления детали включает в себя:
1. Анализ рабочего чертежа детали, условий производства.
2. Определение программы выпуска, установление типа производства.
3. Выбор вида заготовки. Назначение припусков.
4. Установление плана и методов механической обработки.
5. Разработку операций (выбор станочного оборудования, приспособлений, режущего и измерительного инструмента, назначение режима резания для каждого перехода, определение нормы времени).
6. Оформление документации технологического процесса.
Анализ рабочего чертежа детали. Условий производства
Основными исходными материалами для разработки технологического процесса изготовления детали являются рабочий чертеж самой детали, производственная программа ее выпуска и сведения о наличном оборудовании в мастерской предприятия или цехах ремонтного завода.
Рабочий чертеж детали должен содержать полные данные о материале и термообработке, шероховатости поверхностей и все необходимые размеры.
При анализе рабочего чертежа детали, прежде всего, нужно установить наиболее точные поверхности и размеры, обеспечение заданной точности которых представляет наибольшую сложность и важность. Решающее влияние на перечень и последовательность операций может оказать твердость детали, указанная на чертеже. При сравнительно невысокой твердости (НВ ≤ 350) требуемую по чертежу точность и шероховатость в большинстве случаев можно обеспечить обработкой резцом, фрезой, протяжкой и разверткой, т.е. лезвийными инструментами. При большей твердости рабочих поверхностей (НВ ≥ 350, HRC ≥ 35) токарные, фрезерные или другие операции проводятся до окончательной термообработки (закалки с отпуском), после чего требуются отделочные операции: шлифование, полирование, доводка, и др.
Программа выпуска, установление типа производства
Рациональный технологический процесс изготовления детали невозможно разработать без предварительного уяснения программы выпуска, которая определяет тип проектируемого производства (индивидуальное, серийное).
Программа выпуска (перечень и количество деталей на планируемый период времени) определяется по объёму выпуска, который приводится в задании или задаётся преподавателем.
Выбор вида заготовки. Назначение припусков
Важным вопросом при проектировании процесса изготовления детали является выбор наиболее рациональной заготовки. От данного выбора, т.е. установления метода получения заготовки, ее формы, величины припусков, напусков и др. зависят объем последующей механической обработки и стоимость изготовления детали в целом.
При разработке чертежа заготовки важно правильно назначить общий припуск на обработку, который представляет собой сумму всех операционных припусков. Припуск, с одной стороны, должен быть достаточным, чтобы обеспечить получение детали с заданными размерами и качеством поверхности, а с другой - должен быть минимальным в целях экономии материала и уменьшения объема механической обработки.
Величина припуска зависит от толщины дефектного слоя заготовки (окалины, обезуглероженного слоя у поковок и штамповок, "корки" у отливок), от погрешностей формы и размеров заготовки, от способа установки детали при обработке и размеров обрабатываемых поверхностей.
Подробные рекомендации по выбору заготовок и назначению общих и операционных пропусков изложены в специальной литературе [4,13].
При изготовлении деталей из круглого проката, диаметр которого превышает диаметр отверстия шпинделя станка, заготовки для деталей предварительно отрезаются на отрезных станках: дисковых, ножовочных, гильотинных и др. При этом, назначая длину заготовки, следует стремиться исключить отходы (обычно это части заготовки, служащие для закрепления в патроне), что достигается обработкой с разных установок, на центрах, применением специальных оправок и др. В этом случае длина заготовки ненамного превышает длину детали, причем нередко - лишь на величину припусков на подрезание торцов: по 1...3 мм на сторону.
При диаметре прутка, меньшем диаметра отверстия шпинделя, детали изготавливаются непосредственно из прутка (заготовительной операции, как и заготовки, как таковой, нет), наибольшая длина которого определяется длиной шпинделя, патрона и допускаемыми величинами выступающих концов прутка.
Рассмотрим определение общего припуска на ступенчатые валы диаметром 35 … 55 мм по упрощенной методике. Для получения достаточно точных валов (6 … 7 квалитет) с высоким классом шероховатости (Ra 0,63 … 1,25) необходимо кроме чернового и чистового точения и шлифование. По справочным данным припуск на шлифование составляет 0,3 … 0,6 мм на диаметр, на чистовое точение – 0,5 … 2 мм и на черновое точение 2 и более миллиметров в зависимости от диаметром вала. Определим минимальный припуск δмин = 0,3 + 0,5 + 2 = 2,8 мм и округляем до 3 мм, максимальный – δмакс = 0,6 + 2 + 2 = 4,6 мм и округляем до 5 мм для выбора диаметра заготовки из круглого проката. Для валов большего диаметра черновой припуск необходимо увеличивать пропорционально размеру вала.
Пример записи прокатного профиля в рабочих чертежах, технической документации:
Читается: сталь горячекатаная круглая марки Ст.З диаметром 50 мм обычной точности – В.
Выбранную заготовку в виде отливки, поковки или штамповки необходимо вычертить на карте эскизов (см. ниже) или на листе пояснительной записки в соответствии с требованиями ЕСКД с указанием припусков и допусков, установленных по справочной литературе.
4. Выбор плана и методов механической обработки
Заданные форма и размеры детали, их точность, требуемая шероховатость поверхности могут быть достигнуты различными способами. Например, часто при выборе плана обработки приходится делать выбор между строганием и фрезерованием, токарно-винторезным и револьверным станками, внутренним шлифованием и развертыванием, протягиванием и долблением и т.д. Выбор оптимального варианта из числа возможных осуществляется обычно по меньшей себестоимости обработки (или даже всей детали, включая сюда выбор заготовки), с учетом наличия соответствующего технологического оборудования в планируемых условиях производства.
Методы и виды обработки выбирают для каждой поверхности детали, требующей обработку, при этом особое внимание уделяется поверхностям высокой точности размеров, шероховатости поверхности, с высокими требованиями к погрешностям форм и расположения поверхностей. Для таких ответственных поверхностей рекомендуется вначале определить окончательную обработку, обеспечивающую получение заданных требований, а затем устанавливать необходимую предшествующую обработку. Допустим, требуется обработать шейку вала с точностью ее диаметра по квалитету 6, шероховатостью Ra не ниже 0,20 мкм. Окончательной обработкой здесь может служить чистовое шлифование, которому должны предшествовать предварительное шлифование, обтачивание чистовое и черновое.
В результате подобного предварительного анализа составляется план обработки детали с указанием последовательности технологических операций, а в пределах одной операции - установов и переходов.
При этом следует руководствоваться следующими соображениями:
а) целесообразно на одной операции (одном станке) выполнять возможно большее число переходов (видов обработки), но при этом иметь в виду, что совмещение черновой и чистовой обработки в одной операции (на одном станке) допускается лишь в порядке исключения, в основном, для мелких деталей и заготовок;
б) в первую очередь обрабатываются поверхности, являющиеся технологическими базами для дальнейшей обработки: отверстие и торец - для тел вращения, обрабатываемых на оправке, торцы и центровые отверстия - для валов, обрабатываемых на центрах, базовые плоскости - для корпусных деталей и т.д.;
в) операции (переходы) черновой обработки, связанные со съемом больших слоев металла, выполняются вначале, так как при этом чаще обнаруживаются внутренние дефекты в металле, резьбонарезные и отделочные операции (переходы) выполняются последними;
г) при составлении плана и методов механический обработки следует учесть вид термообработки и точно определить его место в общей последовательности операций;
д) поверхности, имеющие высокие требования в отношении точности взаимного расположения, обрабатываются при неизменном базировании и закреплении.
Разработка операций
5.1. Выбор станочного оборудования, приспособлений, режущего и измерительного инструмента
При выборе станочного оборудования необходимо учитывать следующие основные факторы:
а) соответствие основных размеров станка размерам обрабатываемой детали;
б) возможность полного использования станка по мощности привода;
в) возможность полного использования станка по времени.
Паспортные данные станков, необходимые для проектирования, берутся из справочников и каталогов [7,13].
К числу основных размеров станков относятся: высота центров, наибольшее расстояние между центрами, диаметр отверстия шпинделя - у токарно-винторезных, размеры стола - у строгальных, протяжных и др.
Возможность полного использования станка по мощности определяют по наиболее энергоемкому переходу. Если мощность электродвигателя выбранного станка излишняя - выбирается станок того же типа с меньшей мощностью привода, если недостаточная - назначается станок с большей мощностью или корректируется энергоемкий режим резания в сторону уменьшения подачи или глубины.
При выборе оборудования следует также учесть, что для индивидуального и мелкосерийного производства применяют универсальные станки общего назначения, а в массовом и серийном производстве используют специальные и специализированные станки.
При разработке технологического процесса важным моментом является также подбор станочных приспособлений, упрощающих процесс обработки и повышающих ее качество. Для условий индивидуального и мелкосерийного производства наиболее эффективны универсальные приспособления: трехкулачковые (самоцентрирующие) патроны, поводковые патроны, слесарные тиски, делительные головки, цанговые патроны и др.
При обработке на токарных станках деталей нецилиндрической формы, с эксцентричными поверхностями вращения применяются четырехкулачковые патроны и планшайбы. Обработка наружных поверхностей деталей с точно обработанным центральным отверстием (втулок, маховиков, шкивов и др.) может вестись на оправках (центральных и разжимных).
Чтобы обеспечить требуемую жесткость обрабатываемой детали, длинные детали типа вал, обтачиваемые на токарном станке, при (L/D>4, где L - длина детали, D - диаметр) необходимо подпирать вращающимся центром, установленным в пиноль задней бабки, а при L/D>10 обязательно, кроме того, и применение люнетов - подвижных или неподвижных - в зависимости от применяемых скоростей резания и размеров обрабатываемых поверхностей.
Режущий инструмент должен соответствовать характеру выполняемой работы, требованиям точности, режущей способности и качества обработанной поверхности. Выбор инструмента для каждого перехода следует производить в соответствии с рекомендациями, содержащимися в справочниках [2, 7, 9, 11, 13], при этом обязательно указывается его тип, основные размеры, материал режущей части и основные его параметры.
Рассмотрим пример выбора резца. Допустим, что мы принимаем для токарной обточки проходной прямой правый резец. Материал его режущей части Т15К6 (выбран по виду обрабатываемой стали, с учётом условий резания), державки - сталь 45, сечение державки 25x16, где высота Н определяется расстоянием от опорной поверхности резцедержателя до линии центров - у станка 16К20 Н=25 мм, ширина 16 определяется исходя из требований прочности, по выбранной подаче, длина державки 140 мм.
При выборе токарных резцов следует помнить, что их количество для операции по возможности не должно превосходить четырех (количество мест в резцедержателе), так как смена резцов в процессе обработки резко снижает производительность.
Выбор материала режущей части следует производить с учетом вида и свойств обрабатываемого материала, наличия корки, наплывов, с учетом предполагаемой скорости резания. Так, для обработки отливок из серых чугунов при наличии корки применяются пластины ВК6 и ВК8, а для обработки сталей применяются пластины Т15К6, Т5К10.
Выбор фрез определяется формой и размерами обрабатываемых поверхностей: диаметр торцовой и длину цилиндрической фрезы следует выбирать в 1,2...1,5 раза больше ширины обрабатываемой поверхности (при значительной ее ширине обработку производят в несколько проходов). Диаметр дисковой фрезы выбирают таким, чтобы глубина обрабатываемого паза была менее полуразности диаметров фрезы и оправки.
При сверлильных работах выбор режущих инструментов определяется размерами и точностью обработанной поверхности, мощностью станка. Так, небольшие отверстия - диаметром до 25...30 мм сверлятся одним сверлом после центровочного сверла, отверстия больших диаметров сверлятся последовательно двумя или более сверлами.
Для получения требуемой точности размера отверстия и шероховатости поверхности в справочниках [2, 14] приводятся рекомендуемые наборы инструментов. Так, для обработки отверстия Ø 30Н7 с шероховатостью Ra = 1,25 мкм рекомендуется двойное сверление, зенкерование и развертывание.
Вспомогательный инструмент служит для установки и крепления режущего инструмента на станках. К ним относятся державки для резцов, патроны к сверлильным станкам, борштанги - к расточным, оправки - к фрезерным и др.
Выбираемые средства контроля должны обеспечить требуемую точность измерений и достоверность контроля, низкую трудоемкость и стоимость контроля. При единичном производстве, когда размеры деталей, обрабатываемых на станке, изменяются в широком диапазоне, применяют измерительные инструменты универсального назначения: линейки, штангенциркули, кронциркули, штангенрейсмусы, микрометры, нутромеры, индикаторы, штихмассы, и др. В серийном и массовом производстве применяют специальные средства контроля - калибры и шаблоны, измерительные приспособления, приборы, автоматические устройства.
5.2. Выбор режима обработки
Понятие "режим резания" при механической обработке означает совокупность глубины резания t, подачи S и скорости резания V. Выбранный режим резания должен обеспечить минимальную себестоимость обработки при оптимальном использовании режущих свойств инструмента и эксплуатационных возможностей станка. Решающее влияние на выбор резания могут оказать силовые факторы (при черновой обработке), требующие своего ограничения по соображениям прочности инструмента и особенно жесткости системы СПИД (станок - приспособление - инструмент - деталь), и точность и шероховатость обработанной поверхности (при чистовой обработке).
Назначение режима резания производится в следующей последовательности:
• устанавливают глубину резания t и число проходов i;
• выбирают величину подачи S;
• определяют скорость резания V, допускаемую режущими свойствами инструмента, и соответствующую ей частоту вращения заготовки (инструмента).
Кроме режимов резания определяются силы и эффективная мощность резания и сверяются с данными выбранного станка.
Сравнительно малое влияние глубины резания на стойкость инструмента и допускаемую скорость резания позволяет при черновой обработке назначать, возможно, большую глубину резания, обеспечивающую снятие припуска за минимальное число проходов (часто за 1 проход). При чистовых видах обработки глубина резания назначается в зависимости от точности и шероховатости поверхности детали, с таким расчетом, что выбранная глубина позволяла полностью исключить погрешности предыдущей обработки.
Подачу при черновой обработке также назначают, возможно, большую, допускаемую прочностью и жесткостью технологической системы и мощностью станка. При чистовой обработке подача выбирается в зависимости от требований точности и шероховатости. Конкретную величину подач при различных видах обработки выбирают по рекомендациям справочников [9,11,13,14].
Выбранная для черновой обработки с заданной глубиной резания подача на токарных, расточных и сверлильных работах проверяется по прочности механизма подачи станка. При этом осевая составляющая силы резания (сила подачи) РХ, приведена в [9], должна быть меньше или равна осевой силе, допускаемой механизмом подачи станка РХдоп.. [6].
Табличное значение подачи уточняют по паспортным данным станка.
Скорость резания VТ (табличная) выбирают в зависимости от экономически обоснованного периода стойкости режущего инструмента Т [9], от подачи и глубины резания из таблиц нормативов [9, 11].
Скорость резания VР (расчетная) можно определить и по формулам, приведенным в специальной литературе [5, 14]. Если условия обработки отличаются от условий, указанных в нормативах, то скорость резания характеризуется поправочными коэффициентами [9, 14] и определяют VИ - искомая скорость резания.
По выбранной (искомой) скорости резания VИ определяется расчетная частота вращения шпинделя n по формуле:
где: VИ - искомая скорость резания, м/мин.
D - диаметр обрабатываемой детали (инструмента), мм.
Расчетная частота вращения шпинделя корректируется по паспортным данным станка - принимается n (действительное) ближнее меньшее значение или большее, если оно не превышает 2...3% от расчетного.
По скорректированной (действительной) частоте вращения шпинделя nД, определяют действительную скорость резания VД по формуле:
По выбранному режиму резания (обычно при черновой обработке) определяют мощность резания, которая может быть определена по справочным данным [7, 9] или вычислена по формулам [5]. Так, для токарной обработки потребная мощность
где: РZ - тангенциальная сила резания, Н;
NРЕЗ может определяться по нормативам [9].
Мощность резания сравнивают с мощностью электродвигателя станка NЭ
,
где: η - к.п.д. станка (η = 0,7...0,8).
Более подробно о выборе режима резания изложено в специальной литературе [6].
5.3. Определение нормы времени на переход
При выполнении технологического перехода определяется основное (машинное) Т0 и вспомогательное ТВ время.
Основное (машинное) время определяется по формулам [5]. Здесь приводим исходную формулу, которая видоизменяется в зависимости от метода обработки (фрезерная, зуборезная, строгальная, долбежная и т.д.).
где: L - расчетная длина обработанной поверхности, мм;
i - число проходов;
SО - подача на оборот (заготовки, инструмента), мм/об.;
n - частота вращения, об/мин.;
SМ - минутная подача, м/мин.
Длина прохода режущего инструмента L определяется как сумма длины обработанной поверхности детали l, величины врезания инструмента l1 и перебега инструмента l2:
L = l + l1 + l2, мм
Длину обработанной поверхности детали l определяют по рабочему чертежу детали. Величина врезания инструмента зависит от вида инструмента. Например, для резцов она
ctg φ
где: t - глубина врезания, мм;
φ - главный угол в плане резца.
Формулы для определения величины врезания различных инструментов приведены в [5]. Перебег инструмента l2 принимают равным 1... 3 мм.
Вспомогательное время ТВ при проектировании технологического процесса принимается по справочно-нормативной литературе [8, 9, 10], а на производстве определяются хронометрированием.