Основные положения к выбору рациональной заготовки

Выбор рационального способа получения заготовки (факторы влияющие на себестоимость производства заготовки, основные положения по выбору рациональной заготовки, основные положения по выбору способа получения заготовки)

Кроме того, в отливках, особенно получаемых лить­ем под давлением или в кокиль, большая вероятность воз­никновения литейных напряжений и наличия пористости.

Наоборот, при штамповке, создавая направленную струк­туру, можно в значительной степени увеличить эксплуата­ционные свойства детали. В то же время заданный пара­метр шероховатости поверхности и точность размеров мо­гут быть обеспечены и в том и в другом случаях. Из сказан­ного следует, что при выборе способов получения заготовки для данных деталей в первую очередь необходимо учиты­вать основные факторы (себестоимость и требования к ка­честву), ориентироваться на то, что в данном конкретном случае является определяющим.

В качестве другого примера можно рассмотреть крупно­габаритные детали значительной массы, требующие для своего изготовления уникального оборудования большой мощности. Такие детали в допустимых случаях целесооб­разно изготавливать сварными, например ковано-сварные корпуса, роторы, обечайки, что позволяет значительно со­кратить длительность цикла изготовления каждой поков­ки, повысить качество металла за счет применения слитков меньшей массы с меньшим количеством литейных дефектов. Однако коэффициент использования металла при этом не превышает 0,4 и, кроме того, значительно увеличивают­ся суммарная трудоемкость и себестоимость деталей из-за дополнительных расходов на сварку.

Как видно из приведенных примеров, рациональное ре­шение при выборе заготовки может быть найдено только при условии комплексного анализа влияния на себестои­мость всех факторов, при обязательном условии положи­тельного влияния способа получения заготовки на качество изделия.

Представим себестоимость изготовления детали С фор­мулой:

С = М + 3 + 0, где

М — стоимость материалов на деталь;

3 — расходы на заработную плату при изготовлении детали;

О — расходы, учитывающие стоимость оснастки, используемой при изго­товлении детали.

Отметим, что такие процессы формообразования, как литье, ковка, штамповка, весьма трудоемки и требуют зна­чительных затрат на изготовление и эксплуатацию техно­логической оснастки, однако даже в этом случае значитель­ная доля затрат падает на материал (в некоторых случаях затраты на материал составляют 60 % себестоимости дета­ли). Поэтому пути снижения себестоимости деталей, а, следовательно, и изделий наиболее целесообразно искать в сни­жении расхода материала, т. е. в выборе наиболее эконо­мичной, рациональной заготовки.

Сказанное справедливо для массового и крупносерийно­го производств. При ином типе производства определяющими могут быть другие статьи себестоимости детали.

В настоящее время технологичность детали с определен­ной степенью приближения может быть оценена следую­щими показателями:

К_{в. г.} — коэффициентом выхода годного, определяемым как отношение массы заготовки М₃ к массе исходного ме­талла М_м, т. е.

К_{в г}= ^Мз/^М_м

К_{в. т.} — коэффициентом весовой точности, определяемым как отношение массы готовой детали М_д к массе заготовки М₃, т. е.

К_{в. т.}= М_д/М₃

К_и.м. — коэффициентом использования металла, опреде­ляемым как отношение массы готовой детали к массе исходного металла, т. е.

К_{и. м.} = М_д/М_м = К_в.гК_в

Коэффициент выхода годного характеризует расход мате­риала в заготовительном цехе, размеры брака, технологичес­ких отходов и т. п. Коэффициент весовой точности отражает степень приближения формы и размеров заготовки к форме и размерам детали, т. е. характеризует объем механической обработки. Коэффициент использования металла отражает общий расход металла на изготовление данной детали.

Например: масса готовой детали (механически обрабо­танной) 300 кг; масса поковки, из которой изготавливается деталь, 500 кг; масса слитка, необходимого для получения поковки, 750 кг. Тогда

К_{в. г.} = 500/750 = 0,66;

К_{в. т.} = 300/500 = 0,6;

К_{и. м.} = 300/750 - 0,4 = 0,66 х 0,6.

Коэффициент весовой точности является наиболее часто употребляемым для оценки рентабельности выбранной за­готовки, так как зависит от конструкции детали, конструк­ции и массы заготовки. Это легко можно заметить на сле­дующем примере:

при получении мелких деталей типа валиков, осей, шпи­лек, болтов из горячекатаного проката К_{в. т.} = 0,4-0,6;

при изготовлении из той же заготовки деталей типа ко­лец и втулок

К_{в. г.} = 0,15-0,20.

В общем случае можно отметить, что чем меньше отно­шение длины детали к ее диаметру, тем больше К_в.т. По­этому для изготовления мелких деталей желательно при­менение точных способов получения заготовок: выдавлива­ние, редуцирование, высадка, раскатка и т. д.

В среднем для машиностроительных предприятий К_{в. т.} не превышает 0,62 для процессов ковки и штамповки и 0,68 для процессов литья.

Еще раз необходимо отметить, что в самом понятии «вы­бор технологичной заготовки» заложено обязательное усло­вие оценки ее уровня в сопоставляемых вариантах получе­ния данной заготовки. Отсюда следует, что количествен­ный уровень технологичности способа получения заготовки Должен определяться по удельным или нормативным пока­зателям себестоимости или непосредственным определени­ем себестоимости по сравниваемым вариантам. Следователь­но, в основе выбора рационального способа получения заго­товки должен лежать технико-экономический анализ воз­можных вариантов технологических процессов изготовле­ния детали.

Для получения заготовок в машиностроении наиболее широко применяют следующие методы: литье, обработка металлов давлением, сварка и процессы порошковой метал­лургии, а также комбинации этих методов. Однако каж­дый из методов содержит большое число способов получе­ния заготовок.

Так, отливки можно получать литьем в песчано-глинис­тых формах, в кокиль, по выплавляемым моделям, под дав­лением, намораживанием и т. д.; поковки и штамповки — ковкой на молотах, гидравлических прессах, штамповкой на штамповочных молотах, кривошипных горячештампо­вочных прессах, гидровинтовых пресс-молотах, горизонталь­но-ковочных машинах, радиально-ковочных машинах и т. д. Многообразие способов получения заготовок и их сочета­ний приводит к тому, что выбор способа получения заготов­ки становится сложной технико-экономической задачей.

Прежде всего, следует определить, каким методом наибо­лее целесообразно получить заготовку для данной детали.

Условимся под термином «метод» понимать группу тех­нологических процессов, в основе которых лежит единый принцип формообразования. Например, метод обработки металлов давлением включает в себя все технологические процессы (способы), которые основаны на пластическом формоизменении металла, — прокатку, ковку, волочение, штамповку, листовую штамповку и т. п.

Обычно при выборе метода необходимо ориентироваться в первую очередь на материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств изделия. Например, если на чертеже детали указан материал чугун или марка стали с индексом «Л», то эту деталь следует изготавливать из заготовки, полученной методом литья, так как чугуны в большинстве своем не могут быть подвержены обработке давлением из-за низких пластических свойств. Индекс «Л»указывает на то, что сталь обладает повышенными литей­ными свойствами (в частности, повышенной жидкотекучестью) и пониженными пластическими свойствами. Особо ответственные детали, к которым предъявляются высокие требования по размеру зерна, направлению волокон, а так­же по уровню механических свойств, всегда следует изго­тавливать из заготовки, полученной обработкой давлением.

Выбор способа получения заготовки — всегда очень слож­ная, подчас трудноразрешимая задача, так как часто раз­личные способы могут надежно обеспечить технические и экономические требования, предъявляемые к детали. Таким образом, выбранный способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким. Оценку целесообразнос­ти и технико-экономической эффективности применения того или иного способа необходимо производить с учетом всех его недостатков и преимуществ.

Можно рекомендовать основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки.

Тип производства. Для мелкосерийного и единичного про­изводств характерно использование в качестве заготовок го­рячекатаного проката, отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы, и поковок, полученных ковкой. Это обусловливает большие припуски и напуски, значительный объем последующей механической обработки, повышение трудоемкости, в том числе и за счет низкой технологической оснащенности. В структуре себестоимости в данном случае велика доля затрат на основные материалы (до 50 %) и зара­ботную плату (до 35 %).

В условиях крупносерийного и массового производств рен­табельны такие способы изготовления заготовок, как горя­чая объемная штамповка, литье в кокиль и под давлением, в оболочковые формы и по выплавляемым моделям. При­менение этих способов позволяет значительно сократить при­пуски на механическую обработку (в среднем на 25-30 % к массе заготовки), снизить трудоемкость изготовления деталей.

Повышение точности формообразующих процессов, при­менение наиболее точных и прогрессивных способов полу­чения заготовок на базе увеличения серийности являются одним из важнейших резервов повышения технического уровня производства. Пути повышения эффективности еди­ничного и мелкосерийного производств будут рассмотрены подробнее далее.

Технологическую оснащенность производства характери­зует наличие технологической оснастки. В заготовительном производстве это подкладные штампы и штампы для горя­чей объемной штамповки, литейная технологическая осна­стка, металлические формы, модели и т. п. Оптимальный уровень технологической оснащенности определяется таким объективным критерием, как себестоимость производства. Лимитируя удельные и общие затраты на оснастку и инст­румент, себестоимость связывает между собой первоначаль­ную стоимость технологической оснастки, ее стойкость и экономический эффект, получаемый в результате роста тех­нологической оснащенности. Причем в данном случае ос­новным является тип производства. При единичном и мел­косерийном производствах специальная оснастка, рассчи­танная на получение одной детали, в большинстве случаев не может быть использована до полного ее износа, поэтому дополнительные затраты на оснастку оказываются больше экономии, достигаемой от сокращения объема механичес­кой обработки.

Материалы и требования, предъявляемые к качеству де­тали. Основная тенденция современного машиностроения — применение материалов, обеспечивающих необходимые кон­структивные и эксплуатационные свойства, имеющих повы­шенную обрабатываемость на всех стадиях передела. Иными словами, материалы должны обладать необходимым запа­сом определенных технологических свойств — ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью.

Необходимым технологическим свойством для деформируемых материалов является технологическая пластичность. Чем ниже пластичность материала, тем сложнее получить качественную заготовку методом обработки металлов давлением, тем сложнее технологический процесс, тем выше себестоимость детали. Так, при изготовлении поковок из трудно деформируемых высокопрочных сплавов осуществить требуемую степень деформации за один нагрев не всегда удается, поэтому необходимо введение дополнительных про­межуточных нагревов, что значительно повышает себестои­мость и трудоемкость изготовления поковок. Особенно жест­кие требования по технологической пластичности предъяв­ляют к тем сплавам, изделия из которых подвергают холодной обработке металлов давлением — выдавливанию, вытяжке, гибке, формовке.

При выборе способа получения отливок также необходи­мо учитывать технологические свойства сплавов. Например, если материал обладает пониженными литейными свойства­ми (низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке и т. п.), не рекомендуется применять для получения отли­вок из этого материала такие способы, как литье в кокиль или литье под давлением, поскольку из-за низкой податли­вости металлических форм могут возникнуть литейные на­пряжения, коробление отливки и трещины. В таких случа­ях целесообразно применение оболочкового литья и литья в песчано-глинистые формы.

Сплавы, склонные к повышенному поглощению газов (многие литейные сплавы на основе алюминия), нежела­тельно применять для получения заготовок литьем под дав­лением; для центробежного литья исключено применение сплавов, склонных к ликвации.

В технических условиях для ответственных, тяжело нагруженных деталей, для деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, в специальных средах (детали тур­бостроения, энергомашиностроения, такие как валы, шес­терни, зубчатые колеса, роторы, турбинные и компрес­сорные диски), указывают определенные требования к ка­честву материала, физико-механическим свойствам. Для подобных деталей в качестве заготовок целесообразно ис­пользовать поковки, т. е. заготовки, полученные ковкой или штамповкой, поскольку в процессе деформирования созда­ется мелкозернистая, направленная волокнистая структу­ра, значительно повышающая физико-механические свой­ства материала.

Размеры, масса и конфигурация детали.

На удельную трудоемкость механической обработки и тем самым на себе­стоимость деталей существенное влияние оказывает масса детали. Удельная стоимость отливок и поковок растет с умень­шением их массы, особенно резко при массе до 20 кг. Ука­занная закономерность является общей для всех способов получения заготовок и деталей, в том числе и для механи­ческой обработки, так как трудоемкость формообразования определяют общей площадью поверхностей, подлежащих обработке.

Например, наличие в кузнечном цехе ротационно-ковоч­ных машин позволяет получать ступенчатые заготовки прак­тически без механической обработки; того же эффекта можно добиться при наличии механических прессов двойного дей­ствия или гидравлических многоступенчатых прессов, пред­назначенных для штамповки деталей в разъемных матри­цах. При наличии чеканочных прессов после горячей объем­ной штамповки можно использовать чеканку (калибровку) как отделочную операцию, что позволит значительно умень­шить припуск на механическую обработку.

Мощность имеющегося кузнечно-штамповочного обору­дования подчас определяет и номенклатуру деталей, полу­чение которых возможно на этом оборудовании.

При сопоставлении вариантов изготовления детали мож­но рекомендовать методику, использованную в приведен­ном ниже примере:

Следует выбрать заготовку и способ ее получения для де­тали типа фланец с отверстием, изготавливаемой из стали марки 40XJI. Масса готовой детали 25 кг, большинство по­верхностей имеют параметр шероховатости Rz = 10-2,5 мкм, точность, соответствующую 13-му, 14-му квалитетам. Годо­вой выпуск 50 ООО шт. В данном случае это литье, так как задана литейная марка стали.

Далее определяют способ литья. Так как годовой выпуск 50000 шт., а масса готовой детали 25 кг, то тип производства массовый или крупносерийный. В этом случае целесообразно применить специальные способы литья, обеспечивающие за­данные точность, параметр шероховатости поверхности и мак­симально возможное приближение формы и размеров заготов­ки к форме и размерам готовой детали. К таким способам относятся: литье в кокиль, в оболочковые формы, по выплав­ляемым моделям и под давлением. Сопоставив эти способы, убеждаемся, что литье под давлением необходимо сразу ис­ключить, так как этот способ не нашел еще широкого приме­нения при литье стальных заготовок из-за низкой стойкости литейной оснастки. По той же причине нежелательно приме­нение и способа литья в кокиль (стойкость кокиля при полу­чении стальных отливок не превышает 500 шт.).

Таким образом, для сравнения остаются два способа: литье в оболочковые формы и литье по выплавляемым моделям.

Оба эти способа в достаточной степени могут обеспечить заданные параметр шероховатости и точность отливок. Од­нако необходимо учесть, что литье по выплавляемым моде­лям — наиболее трудоемкий и дорогостоящий способ ли­тья; применение его рационально, если отливку невозмож­но получить никаким другим способом. Поэтому в рассмат­риваемом случае можно считать наиболее целесообразным литье в оболочковые формы.

Предложенная выше методика выбора способа изготов­ления заготовки весьма ориентировочна, так как мы пользо­вались только качественной оценкой сравниваемых спосо­бов («хуже» — «лучше», «можно» — «нельзя» и т.п.), не используя точные количественные критерии. Поэтому бо­лее обоснованным и грамотным является проведение тех­нико-экономического анализа сравниваемых вариантов, ос­нованного на использовании количественных критериев.