Как отмечалось, внедрение в производство высокопроизводительного оборудования и энергосберегающих технологий требует расширения и углубления специализации на предприятиях, комплексной отработки конструкции изделия на технологичность, применения методов стандартизации и унификации при конструкторской и технологической подготовке производства.
При выборе конструктивных решений конструктор должен от начала до конца представлять процесс изготовления детали и предусматривать по возможности минимальный объем механической обработки резанием. Целесообразно детали изготавливать точным литьем, а еще лучше – штамповкой. Зубья, резьбу и другие подобные элементы лучше получать накатыванием, а не резанием. Вместе с тем механическая обработка резанием остается преобладающей для металлических деталей, особенно в случаях, когда требуется получить высокую точность в сочетании с малой шероховатостью поверхности.
Соответствие технологического процесса принятому материалу обеспечивает возможность получения заданных физико-механических свойств материала на этапах термической и химико-термической обработки и технических характеристик детали (точности размеров, шероховатости поверхности) на этапе механической обработки.
Рациональная последовательность технологических процессов и операций обусловлена как конструкцией и материалом детали, так и выбранными способами изготовления. Целесообразно предусмотреть геометрическую форму детали, для воспроизведения которой необходимо минимальное количество и разнообразие способов и операций.
Совмещение технологической и измерительной баз позволяет упростить технологический процесс, избежать погрешностей базирования и сравнительно легко обеспечить заданную точность.
Выбор технологических баз должен быть продиктован принципом однозначности положения заготовки в пространстве. Например, если заготовка обладает достаточной жесткостью во всех направлениях, то можно использовать сочетание установочной базы (ограничивающей три из шести возможных перемещений – два угловых и одно линейное), направляющей базы (ограничивающей угловое и линейное перемещения) и опорной базы (ограничивающей одно линейное перемещение). Могут быть использованы и другие сочетания, в которые входят двойная опорная или двойная направляющая база. При этом должно быть принято во внимание направление силы резания, силы тяжести и силы трения, т. е. обеспечение ими силового замыкания и однозначности положения заготовки. В случае недостаточной жесткости в каком-либо из направлений или на каком-либо участке детали предусматривают избыточное базирование.
Выбор измерительной базы не должен приводить к дополнительным погрешностям измерения, вызванным формой и расположением базы. В качестве измерительной базы используют функциональные элементы или вводят дополнительные элементы для контроля размеров, исключая легко сминаемые или неточно расположенные элементы. Размер канавки на цилиндрической детали определяют, как правило, относительно цилиндрической поверхности, а не относительно острых кромок канавки. Для измерения диаметра конических и сферических поверхностей вводят дополнительно цилиндрические пояски, а на острых кромках снимают фаски.
Выбор конструктивных решений деталей предусматривает минимизацию затрат и потерь материалов при их изготовлении. На рисунке 5.2,а в качестве примера показано нарезание крупномодульного зубчатого венца так называемой полуобкатной передачи. Зубья колеса имеют прямобочный профиль, а зубья шестерни – специальный профиль, получаемый из условия сопряжения с зубьями колеса. Нарезание зубьев колеса осуществляют дисковыми фрезами, удаленными одна от другой на расстоянии, равном длине общей нормали W. Фрезы образуют прорези при циклическом последовательном повороте заготовки колеса, и часть металла, заключенная между прорезями, выпадает. В результате такой операции только небольшое количество металла перерабатывается в стружку (заштрихованные участки), а производительность нарезания зубьев существенно повышается.
а) 
б) 
в) 
г) 
Рисунок 5.2 – Варианты обеспечения
технологичности изготовления детали
Примером обеспечения технологичности может служить обработка посадочных, центрирующих и других рабочих поверхностей резанием. При обработке напроход, показано, что не следует использовать для опорных поверхностей углубления (получаемые, например, зенкерованием) или выступы на разных уровнях, что затрудняет их обработку и расположение инструмента. Целесообразно предусмотреть поверхности на одном уровне, которые легко обрабатываются фрезой или шлифовальным кругом напроход.
Из соображений технологичности сборки довольно часто используют корпусы, в которых разъем проходит через отверстия под подшипники, уплотнения и маслопроводные каналы. В этих случаях целесообразно осуществлять обработку в сборе. Для обеспечения точности относительного положения деталей при сборке, обработке и последующих разборках и сборках предусматривают штифтовое соединение или центрирующие сопрягаемые поверхности.
Высокой точности достигают при обработке целой детали, которую только перед сборкой разламывают по специально ослабленному сечению. При сборке части детали благодаря неровностям поверхностей разлома занимают точно то же относительное положение, что и в процессе обработки.
Один из наиболее эффективных приемов получения высокой точности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей – обработка с одного установа нескольких рабочих поверхностей. На рисунке 5.2,б (схема 1) показано такое расположение отверстий А и В, которое не позволяет их обработать на координатно-расточном станке, не переворачивая деталь. Чтобы обеспечить обработку с одного установа, в стене корпуса (на схеме 2) предусмотрено технологическое отверстие С. Кроме высокой точности изготовления, данный прием обеспечивает и экономичность процесса.
Существенного увеличения производительности достигают, используя обработку в пакете, – обработку напроход нескольких одинаковых деталей, установленных на одном станке или на одной оправке. Однако качественная обработка невозможна при их неточной установке или при недостаточной жесткости деталей в направлении силового воздействия инструмента. Поэтому зубчатые колеса (рисунок 5.2,в) должны иметь торцовые поверхности, строго перпендикулярные осям отверстий. Следует отметить, что не только консольное расположение детали и инструмента влияет на точность изготовления. Если сама деталь будет иметь переменное (по длине) сечение, то и реакция воздействие со стороны режущего инструмента также будет переменной.
При конструировании литых деталей (металлических отливок) следует придерживаться приемов конструирования, обеспечивающих технологичность отливок – деталей или заготовок, получаемых литьем. Отливка должна обеспечивать простое изготовление формы с минимальным числом плоскостей разъема формы и возможностью извлечения модели или стержней без разрушения. Следует избегать замкнутых внутренних полостей и ступенчатых разъемов. Крупные и сложные изделия целесообразно разделить на простые детали, соединяемые в последующем болтами или сваркой. Конструкции должны иметь минимальное количество сопряжений, без разветвлений контуров стенок. Для извлечения моделей из формы предусматривают на отливках формовочный (литейный) уклон, величина которого зависит от способа литья. Для обеспечения равномерного остывания и уменьшения внутренних напряжений в результате неравномерной усадки (с целью исключения раковин, трещин и коробления отливки) стенки отливки должны иметь равномерную толщину, а переходы и сопряжения между стенками, соединяемыми под углом, должны быть плавными. Для обеспечения точности механической обработки отливок следует предусмотреть черновую базу достаточной протяженности, параллельную поверхности, обрабатываемой при первой механической операции, или перпендикулярную к ней. В общем случае необходимо иметь три черновых базы для ориентации детали в пространстве.
Для литых заготовок действуют следующие ограничения: наружные поверхности должны состоять из прямолинейных контуров, соединенных плавными переходами; толщина стенок должна назначаться такой, чтобы исключить резкие отклонения в их размерах; необходимо избегать выступающих частей, больших тонких ребер и таких сочетаний поверхностей, которые затрудняли бы изготовление литейной формы; форма заготовки должна исключать затруднения при разъеме модели. В зависимости от применяемого вида литья (литье в кокиль, в оболочковые формы, по выплавляемым моделями, под давлением и др.) требования к технологичности литых деталей могут дополняться и уточняться с учетом особенностей конструкции детали, ее назначения и условий эксплуатации, а также производственных возможностей.
Корпусные детали изготавливают литыми, сварно-литыми или штампосварными. Конструкции литых заготовок корпусных деталей должны отвечать указанным ранее требованиям машинной формовки: толщина стенок в различных сечениях не должна иметь резких изменений, деталь должна иметь правильную геометрическую форму с возможностью ее полной обработки от одной базы, должна быть обеспечена возможность обработки плоскостей и торцов с отверстиями на проход (для этого плоскости и торцы не должны иметь выступов, мешающих обработке), размеры обрабатываемых отверстий внутри детали не должны превышать соосных им отверстий в наружных стенках детали, поверхности должны быть перпендикулярны осям отверстий.
Для деталей, представляющих собой тела вращения (без отверстий), которые изготавливают из прутка или штампованной заготовки, их конструкция должна иметь небольшое количество обрабатываемых поверхностей, сопрягаемых с другими деталями. Их форма должна обеспечивать возможность штамповки заготовок в закрытых штампах, поэтому следует избегать удлиненных выступов, сечений с большой разностью площадей, глубоких полостей и др.
Детали указанной формы со сквозными отверстиями должны иметь конструкцию, предусматривающую обработку только сопрягаемых поверхностей; их форма должна обеспечивать возможность получения заготовок с минимальными припусками. Следует исключать возможность их деформирования при термической обработке.
Технологичность конструкций мелких деталей (из отливок, штамповок и прутков) обеспечивается небольшим количеством обрабатываемых поверхностей с минимальными припусками на обработку. Мелкие детали должны иметь форму, которая позволяет изготавливать их высокопроизводительными методами: штамповкой на ковочных машинах или ковочных прессах, литьем под давлением с одновременной формовкой и заливкой нескольких заготовок, изготовлением деталей из ленты на автоматизированных прессах, а также формообразованием деталей из пруткового материала методом холодной высадки или высадки с индукционным нагревом.
Для деталей, работающих при различных видах нагрузок (изгиб, растяжение и кручение) целесообразно применять штампованные заготовки или заготовки в виде поковок. Штамповка обеспечивает получение более качественной заготовки, но требует применения дорогостоящих штампов. Поэтому использование этого вида формообразования деталей должно быть экономически обоснованным.
Особенности технологических процессов обработки давлением следует учитывать при выборе формы деталей, к которым предъявляются специфические требования к технологичности конструкции. При использовании горячей штамповки необходимо предусмотреть возможность сокращения числа переходов, операций и минимизацию последующей механической обработки, а также изготовление деталей на простых и доступных штампах. При штамповке на молотах и прессах деталь должна иметь разъемную геометрическую форму с наличием штамповочных уклонов на вертикальных стенках, а также плавные скругленные контуры. Пространственные детали сложной формы технологично изготавливать с применением холодной штамповки. Вид холодной штамповки (гибка, вытяжка, холодное выдавливание, холодная объемная штамповка и др.) во многом определяет совокупность требований, характеризующих технологичность детали.
Основные требования, характерные для конструирования отливок, используются и для конструирования деталей, получаемых другими способами. Например, в штампованных деталях также следует избегать малых радиусов скруглений, резких перегибов или переходов от одного сечения к другому, существенных различий в толщине стенок одной детали. В них также предусматривают технологические уклоны, технологические отверстия и другие технологические элементы.
При механической обработке деталей, независимо от способа их получения, очень важными являются условия размещения инструмента в зоне обработки, его входа и выхода. На рисунке 5.2,г для образования технологического отверстия (маслопроводного канала) вход и выход сверла необходимо осуществлять под прямым углом, чтобы избежать больших боковых нагрузок на консольно закрепленный инструмент. Кроме того, в конструкции детали должно быть предусмотрено место для размещения инструмента при ее обработке. Проверку на возможность выхода инструмента из зоны обработки осуществляют при конструировании шлицев, шпоночных канавок, резьбовых отверстий и т. п.
Развитие направления совместного использования различных способов изготовления деталей, упрощает процесс выполнения отдельных деталей и их соединения в сложный узел.
На рисунке 5.3,а показана конструкция водила планетарной передачи автомобиля, составленная из двух частей: штампованной детали водила и корпуса муфты. Составные части конструкции соединены с помощью автоматической сварки с последующей зачисткой сварного шва шлифовальным кругом.
а) 
б) 
Рисунок 5.3 – Конструктивные решения обеспечения
технологичности изготовления детали
На рисунке 5.3,б показана возможность получения полости сложной конфигурации внутри тела литой детали. Стальной маслопровод, составленный из трубки и штуцера, соединенных с помощью сварки, размещают в литейной форме, а затем форму заполняют расплавленным металлом – в данном случае алюминиевым сплавом.
Использование закладных деталей находит все большее распространение для сочетания металлических, пластмассовых и керамических деталей, которые соединяют литьем, спеканием или пластическим деформированием. Благодаря таким решениям удается совмещать электроизоляционные и электропроводящие материалы, трущиеся и несущие детали, закладывать во внутренние полости и каналы пружины, клапаны, фильтры, подшипники, направляющие и другие детали.
Одной из наиболее значительных проблем конструирования является обеспечение технологичности сборочной единицы, поскольку автоматизировать процесс сборки достаточно сложно. Важную роль в обеспечении технологичности сборки играет принцип наименьшей размерной цепи, для реализации которого следует выбирать конструкцию с минимальным числом деталей и стыков в замкнутом контуре размерной цепи. К основным приемам обеспечения рациональной сборки относятся блочность конструкции и простота траектории относительного движения и относительного ориентирования при соединении деталей или сборочных единиц. На рисунке 5.4,а показана сборка мотор-барабана. Предварительно соединяют первую и вторую ступени редуктора, затем вводят редуктор с одной стороны барабана и закрепляют его, а с другой стороны вводят и закрепляют двигатель. Особенность такой сборки заключается в соединении двигателя и редуктора вне поля зрения и без доступа к месту соединения. Поэтому при разработке конструкции должно быть предусмотрено самоцентрирование (например, в виде конических поверхностей) и обеспечена компенсация перекосов в месте соединения.
а) 
б) 
в) 
Рисунок 5.4 – Конструктивные приемы обеспечения сборки
Как правило, в современных конструкциях стараются избегать разборки сборочной единицы в процессе ремонта, а заменяют ее полностью. Для этого необходима такая конструкция сборочной единицы и корпуса узла, чтобы ее можно было ввести через имеющееся или специально выполненное окно в корпусе. На рисунке 5.4,б для обеспечения осевой сборки диаметр отверстия в корпусе должен быть больше диаметра вводимой через него шестерни. Это в свою очередь требует установки дополнительной детали – втулки для центрирования подшипника. На рисунке 5.4,в показан пример сравнительно простого соединения деталей: сателлит вводят между щек водила, не имеющего разъемов, совмещают отверстие подшипника сателлита с отверстиями в водиле, а затем вставляют в отверстия водила втулку и ось сателлита и стопорят их в осевом направлении. Для стопорения используют пластические замки, после чего конструкция становится неразборной.
Возможность размещения деталей перед сборкой и их ориентирование при сборке определяют как общую компоновку, так и конструкцию отдельной детали или соединения. На рисунке 5.5,а детали 1 и 2 (резервуара или трубы) должны иметь углубления, чтобы можно было завести в отверстие винт и закрутить гайку. Такое решение обусловливает довольно большие габаритные размеры такого соединения и сложную конфигурацию внутреннего рабочего пространства устройства в целом. На рисунке 5.5,б показано более рациональное решение, в котором использована шпилька с двумя гайками (одна из гаек выполнена в виде закладной детали – резьбового вкладыша). Все шпильки предварительно вворачивают в деталь 1, затем осевым перемещением пристыковывают деталь 2, вставляют и закручивают гайки. Ширина полости под гайку определяется размещением гаечного ключа, а ее высота должна быть достаточной для свободного размещения гайки и рабочего участка резьбы шпильки.
а) 
б) 
Рисунок 5.5 – Конструктивные приемы обеспечения сборки
Автоматизированная (тем более автоматическая) сборка обусловливает дополнительные требования к форме деталей и соединениям сборочных единиц, к предварительной ориентации и направлению движения детали при сборке, к вспомогательному оборудованию и способам сборки разъемных и неразъемных соединений. Как правило, стремятся использовать детали простой симметричной формы с односложным, желательно прямолинейным движением при сборке без поворота детали. При конструировании изделий, подлежащих автоматизированной сборке, рекомендуется не применять гибкие детали и соединения (провода, кабели, ремни), а использовать армированные детали и жесткие разъемные соединения. При автоматизированной сборке используют различные приемы повышения технологичности сборочного процесса, в частности, осуществляют совмещение процессов изготовления отдельных простых деталей и их сборки, а также предсборочное группирование деталей. Кроме того, используют центрирующие элементы, обеспечивающие точность ориентации деталей в начальный момент соединения и последовательное сопряжение поверхностей, а также направляющие элементы, фаски, скругления, конусы и канавки, облегчающие начальную ориентацию деталей соединения. Конструкция деталей должна исключать их заклинивание и непредусмотренное взаимное сцепление. Следует в максимальной степени использовать унифицированные элементы соединений. При выборе вида соединений следует иметь в виду, что винтовое соединение с резьбовым отверстием в теле детали проще для автоматизированной сборки, чем болтовое соединение, в котором больше деталей (гайки, шайбы). Шпоночные соединения при сборке валов целесообразно заменять шлицевыми или неподвижными фрикционными соединениями; следует также заменять резьбовые соединения клепаными или сварными (например, контактной сваркой).
Сборка упрощается при использовании разрезных стопорных колец для фиксации подшипников качения и других деталей в осевом направлении на шейках валов и в расточках корпусных деталей вместо установки шайб с винтами и фиксирующих гаек.
Следует избегать сборки соединений склеиванием, поскольку продолжительные процессы затрудняют синхронизацию переходов сборочных работ.
Автоматизированное сборочное оборудование требует по сравнению с ручной сборкой более жестких допусков на детали. При автоматизированной сборке методы полной, неполной или групповой взаимозаменяемости, пригонки и регулирования используют в различной степени. Наиболее просто осуществляется сборка при полной взаимозаменяемости. Неполная и групповая взаимозаменяемость требуют дополнительных устройств контроля и усложняют систему управления. Еще сложнее осуществить автоматизированную сборку, используя пригонку или регулирование.
Значительную роль в обеспечении технологичности при сборке играют приспособления. При конструировании следует учитывать их функциональное назначение и необходимость выдерживать собственную многократную сборку и разборку. При этом приспособление не должно повреждать отдельные элементы собираемого устройства, а также предотвращать такие повреждения собственными деталями устройств. Например, в качестве приспособлений используют защитные кожухи (на время транспортировки и сборки), жесткие контейнеры (для транспортировки и сборки гибких деталей и сборочных единиц). Особое внимание уделяют установке в корпус и на вал манжетных уплотнений, монтаж которых целесообразно осуществлять с помощью оправок, поскольку при протягивании уплотнения по шлицам, шпоночным пазам или резьбе возможны их повреждения.
При разработке конструкции деталей и соединений, особенно тяжелых деталей или сложно собираемых соединений, должны быть предусмотрены специальные монтажные элементы (детали, поверхности, отверстия и другие части устройств), за которые можно захватить деталь (или сборочную единицу) или на которые можно нажимать, не боясь разрушения детали, или которые используются для облегчения направления, ориентации, центрирования. Для размещения элементов съемника предусматривают специальные реборды или гнезда.
Технологичность в значительной степени зависит от конструкции отдельных неразборных узлов, агрегатов и приборов. В современных машинах пока предусматривают только простые малогабаритные неразборные узлы при их массовом и автоматизированном производстве (электродвигатели, насосы, клапаны, форсунки и другие узлы). Основным условием для выбора подобных решений является экономическая эффективность замены узла в целом.
Целесообразно заменять разъемные соединения неразъемными для неразборных узлов, применяя методы сборки, основанные на пластическом деформировании (развальцовка, клепка и др.).