Важнейшие технологические процессы сборочного производства в машиностроении

 

Как отмечалось ранее, сборочное производство в машиностроении является заключительным этапом изготовления машин.

Машина – это устройство, созданное человеком и выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью частичной или полной замены или облегчения физического или умственного труда человека, увеличения его производительности.

В зависимости от выполняемых функций различают следующие классы машин:

· технологические (рабочие или машины-орудия), осуществляющие изменение формы, размеров, свойств, состояния и положения предмета труда.

К ним относят металлорежущие станки, прокатные станы, молоты, прессы, литейное оборудование, строительные, горные, сельскохозяйственные, текстильные машины и др.

· энергетические, предназначенные для преобразования энергии. Энергетические машины подразделяются на машины-двигатели и машины-преобразователи.

Машины-двигатели – преобразуют энергию любого вида (электрическую, тепловую и т.д.) в механическую энергию. К ним относят электродвигатели, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, турбины.

Машины-преобразователи преобразуют механическую энергию в энергию любого вида. К ним относят электрогенераторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и др.

· транспортные (автомобили, самолеты, тепловозы, теплоходы и др.) и транспортирующие (конвейеры, элеваторы, грузоподъемные краны, подъемники и др.). Все эти машины преобразуют механическую энергию в энергию перемещения масс;

· информационные, предназначенные для получения, переработки и использования информации: ЭВМ и вычислительные устройства, шифровальные машины, машинные интеграторы, и др., в которых механические движения служат для выполнения вспомогательных операций (строго говоря, они не являются машинами, а их название сохранилось в порядке преемственности от простых счетных машин).

Каждая современная машина состоит из трех основных механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного.

Двигательный, или привод, приводит машину в действие. Механизм привода может быть механическим, с использованием электродвигателей, гидравлическим или пневматическим. В транспортных средствах широко используются двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные, инжекторные, дизельные). Появившиеся первыми паровые двигатели стали уже историей.

Передаточный – совокупность устройств для передачи движения от двигательного к исполнительному механизму машины и их регулирования (редукторы, коробки передач и др.)

Различают передачи механические, гидравлические, пневматические и электронные.

Исполнительный механизм определяет целевое назначение машины, он производит работу, воздействуя на предмет труда.

Технологический процесс сборки характеризуется последовательным соединением и фиксацией всех деталей, составляющих ту или иную машину, и состоит из ряда отдельных операций, среди которых основными являются операции соединения сопрягаемых элементов изделия. Последовательность сборочных операций определяется, прежде всего, конструктивными особенностями машины, а также типом производства (единичное, серийное, массовое).

В сборку также входят электромонтажные работы, испытания (механические, электрические, химические), операции контроля правильности действия всего изделия или его отдельных узлов (например, обкатка собранного автомобиля).

В сборочном производстве выделяют следующие основные виды сборки:

- сборку по принципу индивидуальной пригонки, когда детали изготавливаются невзаимозаменяемыми, и они не являются стандартизированными. Такая разновидность сборки применяется в единичном производстве;

- сборку по принципу ограниченной взаимозаменяемости, когда изделие состоит одновременно из невзаимозаменяемых и стандартизированных деталей. Такая разновидность сборки характерна для серийного производства;

- сборку по принципу полной взаимозаменяемости, когда отсутствует пригонка деталей друг к другу, а любая дефектная деталь может быть заменена на аналогичную. Такая разновидность сборки характерна для массового типа производства.

В сборочном производстве различают две организационные формы сборки:

- стационарную, при которой готовое изделие полностью собирают на одном месте, к которому последовательно подаются все детали, узлы и сборочные единицы. Стационарную сборку используют, как правило, при изготовлении несложных или крупногабаритных изделий, а также в условиях единичного и мелкосерийного производства;

- подвижную, когда собираемое изделие последовательно перемещается по рабочим местам, на каждом из которых выполняется определенная сборочная операция. Подвижную сборку осуществляют с помощью непрерывного или периодически останавливающегося сборочного конвейера и используют преимущественно в массовом или крупносерийном производстве.

Базовыми элементами сборочного производства являются детали, узлы, сборочные единицы, комплексы, комплекты.

Деталь – часть машины, изготовленная из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.д.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.д.).

Детали (частично или полностью) объединяют в узлы.

Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, которые соединены между собой сборочными операциями и имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т.д.).

Признаком узла является обособленность его сборки от сборки других элементов машины.

Сборочная единица представляет собой сложный узел, который может включать несколько простых узлов (подузлов), например, редуктор включает подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т.д.

Комплекс (от лат. complexus – связь, сочетание) – два и более изделий, не соединенных сборочными операциями, но представляющих собой единую техническую систему, предназначенную для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (например, компьютер с периферийными устройствами).

Комплект – набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (например, комплект инструментов к автомобилю).

Особенности сборочного производства связаны с большим объемом вспомогательных работ, удельный вес которых в общей трудоемкости сборки зависит от вида производства и технологических методов сборочного процесса, составляя 40–50; 30–35; 20–25 и менее 20 % в, единичном, мелкосерийном, серийном, крупносерийном и массовом производстве соответственно. Организационные формы сборки, их эффективность и технико-экономическая оценка также взаимосвязаны с типом производства. Эти обстоятельства определяют специфику технологического оснащения сборочного производства.

При сборке основным видом работ является осуществление различных соединений и сопряжений деталей. Использование данных технологических операций дает возможность получать разъемные и неразъемные, подвижные и неподвижные соединения и сопряжения двух или несколько деталей (или узлов). Их реализация осуществляется использованием различных типов технологического оборудования и оснастки.

К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей. К разъемным соединениям относят, в частности, резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, клиновые.

Резьбовые соединения могут выполняться либо с применением крепежных деталей (винтов, шурупов, болтов, гаек), либо выполнением резьбы на соединяемых деталях.

Штифтовые соединения применяют для точной фиксации сопрягаемых деталей.

Шпоночные и шлицевые соединения применяют преимущественно для передачи вращательного движения в механизмах машины.

Остальные соединения относят к неразъемным, которые можно в свою очередь разделить на две группы.

К первой группе относят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления. Они используются, как правило, при сборке готовых деталей. К ним относят, например, соединения, полученные прессованием, развальцовкой, отбортовкой.

Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, клепки, склеивания. Рассмотрим подробнее эти важнейшие технологические процессы получения неразъемных соединений.

Сварка – технологический процесс образования неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами соединяемых тел.

Заготовки сложной конфигурации и крупногабаритные, состоящие из нескольких частей, наиболее часто получают методом сварки.

Применение сварных заготовок обеспечивает значительную экономию металла и снижение их массы по сравнению с заготовками, полученными ковкой или литьем, а также снижение трудоемкости изготовления. Сварные соединения часто обеспечивают большую прочность и надежность при эксплуатации по сравнению с другими видами неразъемных соединений. Сварку можно применять в сочетании с другими процессами, например со штамповкой. Комбинированные методы (штамповка – сварка) обеспечивают изготовление заготовок сложной формы, близких по размерам к готовым деталям при снижении расхода металла и трудоемкости последующей обработки.

В зависимости от вида энергии, используемой для образования сварных соединений, виды сварки условно разделяют на термическую (сварка плавлением), механическую (сварка давлением) и термомеханическую (комбинированную).

К термической относится сварка, осуществляемая плавлением свариваемых изделий с использованием тепловой энергии (электродуговая, плазменно-лучевая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, индукционная, газовая, термитная и др.).

При использовании термической сварки металл на кромках соединяемых частей доводится до полного расплавления, перемешивается и после охлаждения образует сварное соединение. Способ сварки плавлением получил наибольшее распространение.

Одними из наиболее распространенных технологических процессов в машиностроении и строительстве являются электродуговая и газовая сварка.

Электродуговая сварка возможна при переменном и постоянном токе. Электрическая энергия подается в сварочную дугу от специального устройства – источника тока или источника питания. Для плавления кромок свариваемых деталей при электродуговой сварке используется электрическая дуга, которая может обеспечить высокую температуру (до 6000⁰С) и большую силу тока в зоне разряда. Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах. Применяю токи от 1 до 3000А при напряжении 10-50В. Мощность можно изменять от 0,01 до 150 кВт, что позволяет выполнять электродуговую сварку металлов с различной температурой плавления и разных толщин.

Электродуговая сварка выполняется плавящимися металлическими электродами (по способу Славянова) и неплавящимися графитовыми (по способу Бенардоса) или вольфрамовыми электродами.

Неплавящиеся электроды служат только для поддержания горения дуги, которая расплавляет кромки свариваемых деталей, образуя сварной шов. При сварке деталей больших толщин дополнительно применяют присадочный материал в виде проволоки, химический состав которого должен соответствовать составу металла свариваемых частей. Присадочная проволока расплавляется в зоне горения дуги и переходит в металл сварного шва. Сварка неплавящимися графитовыми электродами осуществляется только на постоянном токе.

Плавящиеся электроды служат для поддержания горения дуги и являются дополнительным присадочным материалом для образования сварного шва. Плавящиеся электроды для ручной сварки изготовляют из специальной сварочной проволоки, по химическому составу близкой к химическому составу металла свариваемых деталей. Их выпускают с покрытием (обмазкой), которое служит для защиты расплавленного металла от насыщения его кислородом и азотом, создания устойчивости горения дуги, обеспечения легирования металла сварного шва и придания ему свойств, близких к основному металлу.

Газовая сварка – сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых при выходе из горелки для газовой сварки. Она отличается простотой и дешевизной оборудования и применяется для сварки углеродистых и легированных сталей небольшой толщины (до 3 мм); чугуна; цветных металлов и сплавов; наплавки твердых сплавов на режущий инструмент; при ремонтных работах; прокладке, соединении и монтаже труб и трубопроводной арматуры; заварке трещин и ремонте литых изделий из чугуна, бронзы, силумина; для сварки сосудов и резервуаров небольшой емкости и др.

При газовой сварке для расплавления кромок свариваемых заготовок и присадочной проволоки используют теплоту, выделяемую при сгорании газа (ацетилена, водорода, пропана, природного газа и др.) в кислороде. Наибольшее применение находит ацетилен, обладающий высокой теплотой сгорания и дающий наибольшую температуру пламени (3150⁰С).

Газовое пламя обеспечивает плавление металла, а также его восстановление, науглероживание или окисление. Получение того или иного пламени достигается за счет изменения соотношения горючего газа и кислорода в смеси. Для заполнения металлом сварного шва используют дополнительно присадочную проволоку.

Газовая сварка имеет значительно меньшее распространение, чем электрические методы сварки, так как наличие кислорода в пламени ухудшает механические свойства металла и качество сварного шва. Газовая сварка уступает другим методам и по производительности. Этот процесс трудно поддается автоматизации и выполняется в основном вручную.

Наибольшее применение газовая сварка находит при ремонтных работах, а также в местах, где отсутствуют источники электрического тока.

Технологические особенности лазерной сварки будут рассмотрены в подразделе прогрессивных технологий.

При механической сварке используется механическая энергия и давление (холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая и др.).

Холодная сварка выполняется за счет механической энергии сжатия. Сварное соединение образуется в результате пластической деформации и возникновения межатомных связей между сдавливаемыми поверхностями при их соединении. Для возникновения этих связей необходимо предварительно очистить поверхности от оксидов, загрязнений и приложить силу сжатия, превышающую предел текучести свариваемого материла. Удельные давления, выбираемые в зависимости от химического состава и толщины свариваемых заготовок, находятся в пределах 150 – 1000 МПа. При таких давлениях металл течет, и на стыке поверхностей образуется сварное соединение. В результате пластической деформации в месте приложения силы толщины заготовок уменьшаются, происходит их упрочнение и наклеп поверхностей.

Этим методом можно сваривать внахлестку листовой материал толщиной 0,2 – 15 мм, встык тонкую проволоку, полые заготовки по контуру.

Сварку трением применяют для получения стыковых соединений. Заготовки при этом плотно прижимают, и одну из них приводят во вращательной движение. В результате механического и теплового воздействия при трении металл переходит в пластическое состояние. После этого прикладывается осевая сила сжатия. Сварное соединение образуется за счет диффузии атомов в контактирующих поверхностях. Оксидные пленки, препятствующие диффузии, разрушаются трением и удаляются из зоны сварки.

Данный метод обеспечивает высокое качество соединений и может применяться при изготовлении ответственных конструкций. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы. Этот способ нашел применение в промышленности при изготовлении составных режущих инструментов, валов, штампов и т. п.

Технологические особенности ультразвуковой сварки будут рассмотрены в главе 15.5.

Термомеханическая сварка осуществляется с использованием тепловой энергии и давления (электрическая контактная, диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, печная и др.).

В настоящее время наиболее распространена электрическая контактная сварка. При этом методе свариваемые заготовки предварительно нагреваются электрическим током большой плотности, проходящим через их поверхности. Сила тока достигает сотен и тысяч ампер, происходит интенсивное выделение теплоты в месте контакта свариваемых поверхностей, металл переходит в пластичное, а иногда расплавленное состояние. После этого ток отключают и осуществляют сжатие свариваемых заготовок, способствующее взаимодействию атомов металлов и образованию сварного соединения.

Надежность и высокое качество сварного соединения, высокий уровень механизации и автоматизации процесса, обеспечение высокой производительности труда позволили широко использовать электроконтактную сварку в промышленности. Этим методом получают более 30% сварных соединений, что уступает лишь электродуговой сварке.

Различают три основным вида электрической контактной сварки: стыковую, точечную и шовную.

В зависимости от степени механизации процессов различают ручную, механизированную, автоматизированную и автоматическую сварку; по непрерывности процесса – непрерывную и прерывистую; по способу защиты металла в зоне сварки – сварку в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, в пене, с комбинированной защитой.

Выбор способа сварки зависит от многих факторов: химического состава стали и ее состояния, формы и размеров сборочной единицы, толщины свариваемых элементов, количества изделий в конструкции и др.

Технико-экономические показатели различных способов сварки колеблются в широких пределах и зависят от множества факторов, среди которых основными являются свойства металла свариваемых элементов, толщина листов, форма соединения и положение его в пространстве, метод сварки, способ защиты шва, степень механизации и автоматизации процесса, тип сварочного оборудования и т.д.

Пайка – процесс соединения заготовок, изготовленных из металлов и неметаллических материалов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного материла, называемого припоем.

Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного материала. Неразъемное соединение образуется в результате растворения припоя, смачивания и взаимной диффузии припоя и основного материала. Пайка не вызывает значительного коробления и окисления поверхностей соединяемых заготовок. Для взаимной диффузии необходимо, чтобы спаиваемые поверхности были очищены от оксидов и загрязнений, а жидкий припой и основной металл защищены от окисления. С этой целью при пайке используют различные флюсы.

Процесс пайки заключается в нагреве паяемых заготовок и расплавлении припоя. Для получения соединения высокого качества температура нагрева заготовок в зоне шва должна быть на 50 – 100 ⁰С выше температуры плавления припоя. Нагрев заготовок и расплавление припоя в зависимости от его вида производят медными паяльниками, газовыми горелками, электрическим током в печах, индукционным током, а также в печах-ваннах с расплавами солей.

Пайку применят главным образом для сборки изделий и сборочных единиц, реже для изготовления отдельных деталей. Паять можно заготовки из углеродистой или легированной стали всех марок, твердых сплавов, чугунов, редких металлов и их сплавов. Можно также соединять разнородные материалы. Пайка металлов с неметаллами – кварцем, стеклом, керамикой, полупроводники – вызывает трудности и требует применения особых технологических процессов.

Преимуществами пайки являются: достаточная прочность и чистота соединения, отсутствие оплавления металла, сохранение формы и размеров изделия, возможности механизации и автоматизации процесса.

Клепка – процесс создания неразъемного соединения с помощью заклепок – стержней круглого сечения, устанавливаемых в совмещенные отверстия соединяемых деталей. Затем выступающие концы (головки) клепок деформируются (расклепываются), и клепки стягивают соединяемые детали.

Технология клепки в последнее время практически не используется, а клепаные конструкции применяются главным образом в сооружениях, испытывающих значительные динамические нагрузки (железнодорожные мосты и т. п.).

Склепывание осуществляется пневматическими и электрическими молотками, электромеханическими, пневматическими и пневмогидравлическими прессами и машинами.

Несмотря на достаточно высокую прочность соединения, основным недостатком технологии клепки является завышение металлоемкости конструкции из-за большого количества отверстий под заклепки, а также низкая технологичность и производительность процесса.

В последнее время при сборке получает все более широкое распространение клеевая технология.

Клей - композиция на основе веществ, способных соединять (склеивать) материалы. Действие клея основано на образовании между ними и склеиваемыми материалами адгезионной (межмолекулярной) связи, способствующей образованию неразъемного соединения.

Наиболее эффективно применять склеивание вместо клепки. Преимуществами клеевых соединений в этом случае являются: снижение трудоемкости, отсутствие выступов на наружных поверхностях, обеспечение герметичности, экономия материала. В некоторых случаях, например для соединения деталей из неметаллических материалов малой толщины, склеивание является одним из самых надежных способов получения неразъемного соединения. Наиболее часто склеивают те материалы, которые теряют свои свойства при нагревании и сдавливании.

Склеивание применяется для пластмасс, стекла, керамики, легких сплавов (алюминиевых, магниевых).

Технологических процесс получения клеевого соединения в основном состоит из следующих этапов: подготовка поверхностей, нанесение клея, склеивание при определенных температурах, давление и времени выдержки, очистка соединения и контроль качества.

В зависимости от материала соединяемых частей и конструктивных особенностей применяют различные клеи. Вид и качество применяемого клея оказывают большое влияние на механическую прочность соединения. Для органических клеев из синтетических полимеров (напр., полиэфирных, эпоксидных, феноло-формальдегидных смол) характерны высокая прочность склеивания и стойкость в различных средах. Клеи из природных полимеров (напр., коллагена, альбумина, камедей, крахмала) отличаются невысокой устойчивостью к действию воды и микроорганизмов. К неорганическим клеям относятся керамические, силикатные и др. Клеи могут быть жидкими (напр., растворы, эмульсии) и твердыми (пленки, порошки, прутки). Последние расплавляют перед употреблением или наносят на нагретые поверхности.

Оборудование сборочных цехов условно можно разделить на три группы:

основное (технологическое), предназначенное непосредственно для выполнения работ по осуществлению различных сопряжений деталей, их регулировке и контролю в процессе узловой и общей сборки.

Для облегчения труда и увеличения производительности применяют различные средства механизации и автоматизации сборочных работ: механизированный инструмент, приспособления и сборочные автоматизированные станки.

вспомогательное – для механизации вспомогательных работ, объем которых при сборке достаточно большой.Оно включает в себя транспортное, подъемное, установочное и другое оборудование, применение которого снижает затраты времени на сборочные работы, повышает производительность, облегчает труд сборщиков, повышает эффективность и технико-экономические показатели сборочного производства.

· дополнительное – для обеспечения главным образом санитарно-гигиенических условий труда работников - машины и оборудование для очистки воздуха и газов (вытяжные зонты, вентиляторы, воздуходувки и др.)