Разработка технологического процесса является одним из наиболее ответственных и трудоемких звеньев в цепи технологической подготовки производства. В соответствии с ГОСТ 3.1109, под технологическим процессом в машиностроении понимается «часть производственного процесса, содержащая действия по изменению и последующему определению состояния предмета производства».
Основной целью разработки технологического процесса является назначение таких способов и последовательности изготовления изделия, которые явились бы наиболее технически и экономически рациональными. Это подразумевает правильное и полное использование всех технических возможностей оборудования и оснастки, работу на наиболее выгодных режимах при минимальных затратах времени, рабочей силы, вспомогательных материалов и др.
Разработка технологического процесса проводится после отработки конструкции на технологичность ГОСТ 14.301 устанавливает три вида технологических процессов: единичный, типовой и групповой. Единичный технологический процесс разрабатывается и применяется для изделий одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства. Типовой технологический процесс разрабатывается и применяется для изготовления изделий, обладающих общностью конструктивных и технологических признаков. Он характеризуется единством содержания и последовательности выполнения большинства технологических операций. Групповой технологический процесс разрабатывается и применяется для изготовления изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками.
Технологический процесс является основой для проектирования производственных подразделений (цехов, участков, рабочих мест), выбора средств механизации и автоматизации, внутрицеховых средств транспортировки, проектирования технологического оснащения, организации материально-технического снабжения и т. д.
|
|
Исходными данными для проектирования технологического процесса является чертеж изделия и программа его выпуска. В курсовом проекте выполняется, как правило, разработка единичного технологического процесса для условий серийного или крупносерийного производства /33/.
От исходного полуфабриката до готового состояния изготавливаемая конструкция подвергается обработке различными технологическими методами. Последовательность этой обработки при изготовлении сварной конструкции может быть представлена следующей принципиальной схемой – рис. 3.1.
|
Рис. 3.1. Принципиальная маршрутная схема технологического процесса
изготовления сварной конструкции
Комплектовочная операция предусматривает комплектацию изделия по технологической цепочке его изготовления комплектующими деталями, узлами, материалами и др.
Подготовка поверхностей под сварку, наплавку, напыление, пайку включает работы по очистке поверхностей от окисных, жидкостных и др. пленок, а также любых загрязнений с целью создания благоприятных условий для образования непрерывной межатомной связи между соединяемыми деталями в процессе образования неразъемных соединений.
Выбор способа подготовки поверхностей определяется свойствами основного материала, способом получения соединений, программой выпуска. Особенно тщательно должны подготавливаться поверхности под сварку теми способами, при которых исключается либо сводится к минимуму металлургическая обработка металла при сварке или пайке.
|
|
Сборка конструкции должна обеспечить выполнение заданных чертежом или технологией размеров и технических требований. Как правило, сборочная операция предусматривает фиксацию деталей для предотвращения смещения деталей, как при межоперационной транспортировке, так и в процессе получения неразъемного соединения. Фиксация обеспечивается либо конструкцией технологической оснастки, либо с использованием так называемых технологических прихваток, выполняемых сваркой.
Наиболее ответственной операцией при изготовлении сварных конструкций являются операции сварки или пайки. Выбор способа получения неразъемных соединений определяется в первую очередь требованием обеспечения свойств соединений, близких к свойствам основного материала с учётом конструктивных особенностей изделия, условий его эксплуатации, с учетом производимых затрат. Окончательный вариант способа обработки определяется при экономическом сравнении проектируемых технологических процессов.
Обработка после сварки проводится с целью удаления остатков флюса, получения плавных переходов или удаления усиления шва, устранения остаточных сварочных напряжений и деформаций, улучшения структуры и свойств соединений и материала конструкции в целом.
Удаление остатков флюса (при необходимости) проводится для обеспечения возможности контроля качества соединений и в соответствии с требованиями культуры производства. При пайке флюс часто необходимо удалять с целью предупреждения последующего коррозионного повреждения изделий.
|
|
Изготовление сварных конструкций, особенно способами сварки плавлением, неизбежно приводит к появлению остаточных сварочных деформаций и напряжений. Величина последних может достигать предела текучести и существенно влиять на эксплуатационные характеристики изделия.
Для устранения остаточных сварочных деформаций и напряжений применяют ряд механических (деформационных) и термических методов. Наиболее эффективным и распространенным методом является термообработка, физическая сущность которой заключается в том, что при нагреве предел текучести металла уменьшается и упругие деформации переходят в пластические. Выбор режима термообработки определяется составом материала. Обычно для снятия остаточных напряжений назначают температуру несколько выше температуры рекристаллизации металла.
Термообработка позволяет не только снизить остаточные сварочные напряжения, но и получить заданное изменение структуры и свойств как сварного соединения так и конструкции в целом.
Главным назначением термообработки сварных конструкций является повышение их эксплуатационной надежности, которое достигается за счет устранения или уменьшения структурной и химической неоднородности, устранения хрупких и малопластичных фаз, снижения величины остаточных сварочных напряжений, получения оптимальных механических свойств металла, повышения коррозионной стойкости.
При изготовлении сварных конструкций применяют все основные виды термообработки: отжиг 1-го и 2-го рода, закалку, отпуск, нормализацию и старение. Необходимость термообработки, выбор её вида и режимов определяется степенью неравномерности структуры и неоднородности свойств отдельных участков сварных соединений, составом материала, условиями эксплуатации. Специфической особенностью термообработки сварных конструкций часто является восстановление структуры и свойств лишь непосредственно зоны сварного соединения при сохранении, по возможности без изменений, структуры и свойств основного материала.
Приведенная на рис. 3.1. схема показывает, что технологический процесс изготовления сварных конструкций характеризуется прерывистостью, разделением на так называемые технологические операции. Под технологической операцией понимается часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. В свою очередь операция состоит из переходов, которые представляют собой действия внутри операции.
При разработке технологического процесса используют три вида описания, различающиеся степенью детализации: маршрутное, операционное и маршрутно-операционное. Вид описания определяется характером изделий и программой выпуска.
Маршрутное описание предусматривает сокращенное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения без указания переходов и режимов обработки.
Полное описание всех технологических операций в последовательности их выполнения с указанием переходов и режимов обработки дается при операционном описании.
В проекте выполняется маршрутно-операционное описание, которое предусматривает сокращенное описание технологических операций в последовательности их выполнения с полным описанием разработанных (модернизированных) операций получения неразъемного соединения, а также операций предшествующей слесарной обработки и операций неразрушающего контроля полученного соединения.
При разработке технологического процесса основной творческой работой, которую необходимо выполнить студенту, является изыскание путей совершенствования базового технологического процесса и разработка модернизированного технологического процесса с меньшей трудоемкостью, материалоемкостью и энергоемкостью, обеспечивающего получение изделий высокого качества. В связи с этим разработка технологического процесса включает следующие вопросы, которые должны быть обязательно представлены в пояснительной записке:
критический анализ технологического процесса изготовления изделия (включая изготовление комплектующих деталей), применяемого на базовом предприятии;
разработку и обоснование не менее двух проектных вариантов технологического процесса;
детальную проработку одной – двух (по согласованию с консультантом) сварочных операций;
детальную проработку операции контроля качества неразъемных соединений.
При анализе технологии изготовления комплектующих деталей особое внимание должно быть уделено технологии изготовления деталей из листового проката. Необходимо рассмотреть рациональность применяемых на базовом предприятии способов разметки, раскроя и формоизменения заготовок, используемого для выполнения этих работ оборудования, оптимальность назначения технологических разъемов. В пояснительной записке должны быть приведены технические характеристики рекомендуемого заготовительного оборудования /34 – 37/.
Выбор нового технологического процесса и его материальное обеспечение вначале проводят на основе качественного сравнения проектных и базового вариантов с детальным разбором их недостатков и преимуществ в пояснительной записке. Затем на основе данных экономического расчета проводят количественную оценку проектных вариантов в сравнении с базовым.
Разработанный технологический процесс изготовления изделия представляется в виде маршрутной карты. В пояснительной записке приводится его описание с обоснованием выбранных видов и последовательности выполнения операций, описываются возможные дефекты сварных или паяных соединений и вызывающие их причины, указываются нормы допустимых дефектов, назначаются методы контроля качества и необходимое для контроля оборудование и приборы, приводятся операционные карты на сварочную и контрольную операции.
Разработка операционных и маршрутной карт должна выполняться в соответствии с требованиями методических указаний по оформлению технологической документации при курсовом и дипломном проектировании /33/.
Выбор режимов обработки
Под режимом обработки понимают значения регулируемых параметров процесса. Вид и количество параметров определяются конкретным способом обработки. Например, при механизированной аргонодуговой сварке к основным параметрам режима относят: скорость сварки, величину сварочного тока, падение напряжения на дуге, диаметр и скорость подачи электродной или присадочной проволоки, марку и расход защитного газа и др.
При выполнении курсового проекта должны быть определены все основные параметры режима для детально прорабатываемых операций для проектных вариантов. Перечень определяемых параметров для наиболее распространенных способов сварки и пайки установлен структурой типовых блоков технологических режимов соответствующего способа сварки или пайки /33/, которые должны быть приведены в операционной карте.
К настоящему времени отсутствуют общепринятые методики расчета параметров режима пайки, наплавки, напыления и ряда способов сварки. Выбор режимов обработки для таких процессов проводится по литературным источникам и нормативной документации базового предприятия. В данном проекте для дуговой сварки соединений встык, контактной точечной или шовной сварки необходимо выполнить приближенный расчет параметров режима на компьютере или вручную и сравнить его с данными литературных источников и базового предприятия.
Расчет параметров режима дуговой сварки обычно проводят исходя из размеров сварочной ванны или сечения шва. Одним из основных энергетических элементов режима дуговой сварки является сварочный ток. Для ориентировочного расчета вручную величины сварочного тока при сварке тонколистовых материалов в тех случаях, когда применима схема быстродвижущегося линейного источника нагрева, можно использовать формулу:
,
а для схемы линейного источника, движущегося с небольшой скоростью:
,
где V – скорость сварки, см/с;
FПР – площадь проплавления основного металла, см2;
r – плотность материала, г/см3;
hПЛ – теплосодержание металла в сварочной ванне, Дж/г;
U – напряжение на дуге, В;
hu – эффективный КПД дуги;
ht – термический КПД процесса проплавления (обычно принимают ht = 0,485);
a – коэффициент температуропроводности, см2/с;
d – толщина материала в свариваемом сечении, см.
Численные значения параметров V и U подбираются по литературным источникам, значения коэффициентов a, hПЛ, hu, r выбираются по справочным материалам или приложениям 1 и 2 настоящего методического руководства.
Расчет по схеме линейного источника нагрева не учитывает теплоотдачу в подкладку и прижимы кромок, поэтому при сварке тонколистовых материалов расчёт дает заниженные значения сварочного тока.
Площадь проплавления FПР обычно определяется графическим способом исходя из конструктивных элементов шва, назначаемых ГОСТом на соответствующий метод сварки, или чертежом изделия (рис. 3.2).
Для приближенного расчета площади сварных соединений широко применяется формула:
.
Рис. 3.2. Обозначения размеров сварочной ванны и шва:
L – длина ванны; B – ширина ванны; b – ширина проплавления; hy – высота усиления шва;
hпр – высота проплавления шва, d – толщина свариваемого сечения;
Fн – площадь наплавленного металла, Fпр – площадь проплавления.
Теплосодержание расплавленного металла hПЛ в сварочной ванне определяется из соотношения
,
где С – удельная теплоемкость, Дж/г °С;
ТПЛ – температура плавления металла, °С;
ТПЕР – температура перегрева металла в сварочной ванне (обычно принимают ТПЕР = 0,2 ТПЛ), °С;
L – скрытая теплота плавления, Дж/г.
Значения параметров С, ТПЛ и L берутся из приложения 2.
Подсчитанная по вышеуказанным формулам величина сварочного тока сравнивается с литературными данными и проверяется расчетным определением ширины шва В.
Для схемы с медленно движущимся источником тепла без существенной теплоотдачи определение ширины шва производится по номограмме на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Номограмма для определения ширины зоны нагрева в пластине движущимся линейным источником тепла
Для определения В вычисляется отношение:
,
где ТПЛ – температура плавления, ° С;
l – коэффициент теплопроводности металла, Вт/см °С;
q – эффективная мощность дуги, определяемая из выражения: q = I ×U × hu.
Полученная величина отношения откладывается по оси ординат номограммы, а на оси абсцисс находят соответствующее ей значение 
, из которого определяют ширину шва. При этом полагают, что В = 2 y, где y – координата точки температурного поля, в которой Т = ТПЛ.
Для быстродвижущегося линейного источника тепла в пластине, если теплоотдачу можно не учитывать, ширина шва определяется по формуле:
Полученное значение В сравнивается с соответствующим способу сварки ГОСТом на размеры и конструктивные элементы швов сварных соединений или с литературными данными в случае отсутствия ГОСТа.
Ширину шва можно рассчитать по схеме движущегося линейного источника, моделируя эти процессы в системе «MATHCAD». Результаты расчетов приводятся в тексте пояснительной записки или в приложении и обязательно оцениваются на достоверность путем сравнения с опубликованными теоретическими или экспериментальными данными.
При разработке технологии дуговой сварки титановых сплавов, легированных сталей, жаропрочных сплавов часто возникает необходимость определения размеров зоны газовой защиты нагретого металла, распределения температур по сечению сварных соединений, скорости охлаждения для предотвращения появления закалочных трещин или межкристаллической коррозии, длительности пребывания металла в том или ином температурном интервале. В связи с трудоемкостью таких расчетов, их целесообразно проводить в системе «MATHCAD».
Окончательно выбранные режимы обработки указываются в пояснительной записке и в операционных картах проектируемого технологического процесса.