технологических процессов изготовления деталей машин

Проектирование технологических процессов изготовления изделий машиностроения имеет целью дать подробное описание процессов изготовления детали с необходимыми технико-экономическими расчётами и установить наиболее рациональный и экономичный способ изготовления изделия. В своей работе инженер-технолог руководствуется положениями ГОСТ 17420-72 «Единая система технологической подготовки производства. Операции механической обработки резанием. Термины и определения».

Технологические процессы разрабатывают при организации производства новых изделий на предприятиях или при коррекции процесса изготовления уже освоенной продукции для реализации конструктивных усовершенствований или рационализаторских предложений. Также технологические процессы разрабатывают при проектировании новых и реконструкции существующих заводов.

Из всех деталей, изготовляемых в машиностроительном производстве можно выделить ряд основных типов: детали типа «вал ступенчатый», типа «вал-шестерня», типа «втулка», типа «корпус» и др. Проектирование индивидуального технологического процесса изготовления детали осуществляется на базе типового технологического процесса, например: типового технологического процесса изготовления вала-шестерни, корпуса и др. При этом инженер-технолог учитывает множество условий: требования чертежа детали, годовую программу выпуска, материал детали, технологические возможности предприятия, квалификацию рабочих и др.

Технологический процесс должен обеспечить выполнение следующих требований: по точности размеров, формы, взаимного расположения и шероховатости поверхностей деталей; по качеству материала и поверхностей деталей; по точности сборки; по регулировке и выводу на штатный режим работы машины. Таким образом, спроектированный технологический процесс должен при его осуществлении гарантированно обеспечить выполнение требований, обуславливающих нормальную работу готового изделия. Для достижения этой цели решается комплекс задач.

Выбор рационального метода получения заготовки. При выборе метода получения и конструировании исходной заготовки необходимо стремится к максимальному сокращению обработки металла резанием путём придания заготовкам наибольшей точности и приближения их по форме, размерам и качеству поверхностей к готовым деталям. Эта задача называется – повышение коэффициента использования металла.

При выполнении этой задачи не только экономится металл вследствие уменьшения припусков, но и значительно уменьшается трудоёмкость обработки резанием, сокращается потребность в металлорежущих станках, технологической оснастке, инструментах и производственных площадях, снижается себестоимость всего процесса изготовления деталей машин.

Заготовки, приближенные по форме и размерам к готовой детали получают методами объёмной горячей штамповки, ковки, литья. Преимуществами таких заготовок является высокий коэффициент использования металла. Но начальная стоимость таких заготовок значительно выше, чем стоимость металла заготовки, так как предприятие несёт определённые затраты на технологический процесс получения таких заготовок: на оплату труда, на штамповую или литейную оснастку, оборудование, энергоресурсы и др. Также требуется время на подготовку технологического процесса получения заготовки.

В ряде случаев (в единичном или мелкосерийном производстве, при недостатке времени на технологическую подготовку) может быть выгоднее использовать заготовки простой формы из проката, несмотря на низкий коэффициент использования металла. Стоимость заготовок из проката невысока (фактически только стоимость металла). Но при изготовлении деталей из проката значительно повышаются затраты на обработку резанием: повышается трудоёмкость обработки, увеличивается потребность в металлорежущих станках, технологической оснастке, инструменте, обращается в стружку большой объём металла.

Задача технолога состоит в том, чтобы в существующих производственных условиях сравнить различные методы получения заготовок и выбрать экономически наиболее рациональный. Т.е. применить более дорогую заготовку и уменьшить затраты на обработку резанием или применить более дешёвую заготовку, но понести дополнительные затраты на обработку резанием.

Разработка технологического маршрута. Технологический маршрут устанавливает методы обработки поверхностей и последовательность операций. Таким образом, задача технолога состоит в том, чтобы выбрать методы обработки деталей и их последовательность, и гарантированно обеспечивающих качество деталей. На базе технологического маршрута проектируется план обработки детали. План обработки устанавливает теоретическую схему базирования заготовки, операционный эскиз, технические требования к выполняемой операции, предварительный выбор оборудования.

При разработке технологического маршрута технолог должен учитывать технологические возможности предприятия, выбранный метод получения заготовки, возможности по хранению заготовок и готовых изделий, транспортные возможности и др.

Выбор средств технологического оснащения. Задача этого этапа состоит в выборе необходимого оборудования, приспособлений, режущих инструментов и контрольных приспособлений и инструментов для каждой технологической операции. Технологическая оснастка может быть закуплена на специализированных предприятиях или спроектирована и изготовлена на собственных производственных площадях. При выборе оборудования учитываются его технологические возможности, технические характеристики (размеры обрабатываемых деталей, точность, мощность). Также необходимо экономически обосновать и выбрать степень специализации оборудования: универсальное, специализированное, специальное и оборудование с ЧПУ.

Универсальные станки имеют широкий диапазон обрабатываемых размеров и рабочих режимов, большую мощность, могут оснащаться различными приспособлениями и инструментами, могут быстро переналаживаться для обработки различных деталей. Но такая универсальность приводит к высокой стоимости станка. Производительность универсальных станков невысока, так как управление станком и вспомогательные действия осуществляются в ручном режиме рабочими высокой квалификации, что требует немалых затрат времени. Только рабочие перемещения инструмента осуществляются механизмами станка. Универсальные станки используются в единичном, мелкосерийном и иногда в серийном производстве.

Специализированные станки имеют узкий диапазон рабочих режимов и обрабатываемых размеров однотипных деталей. Работают в полуавтоматическом или автоматическом режиме, что приводит к высокой производительности, так как все управляющие воздействия и вспомогательные действия осуществляются механизмами станка, настроенными на определённую работу. Стоимость специализированных станков ниже, чем универсальных, а производительность значительно выше. Но они имеют узкие технологические возможности и требуют сложной и длительной наладки на обработку различных деталей. Поэтому, партия обрабатываемых деталей должна быть достаточно большой, чтобы сделать использование специализированного станка экономически выгодным. Наладка выполняется наладчиками высокой квалификации, но работать за станком может оператор невысокой квалификации. Его задача сводится к установке заготовок и снятию готовых деталей. Причём, один оператор может обслуживать несколько станков: пока на одном станке осуществляется обработка, на втором станке оператор выполняет разгрузку-загрузку.

Специальные станки предназначены для обработки только одной детали. Соответственно, программа выпуска данной детали должна быть очень большой (крупносерийное или массовое производство), чтобы сделать закупку специальных станков экономически обоснованной. При прекращении выпуска данной детали, специальные станки становятся ненужными. Специальные станки имеют только один рабочий режим и один обрабатываемый размер, минимально необходимые размеры и мощность, работают в автоматическом режиме с очень высокой производительностью. Их стоимость значительно ниже стоимости универсальных станков.

Из специальных и специализированных станков может быть составлена автоматическая линия изготовления детали. Необходимые станки располагаются в технологической последовательности (в соответствии с маршрутом обработки) и соединяются конвейером, при помощи которого производится передача заготовок по технологической цепи. Обработка на автоматических линиях отличается очень высокой производительностью и невысокой себестоимостью обработки. Но конструирование автоматической линии и технологическая подготовка производства требует затрат времени и финансовых средств на проектирование.

Станки с числовым программным управлением сочетают высокую производительность, широкие технологические возможности и универсальность, но имеют очень высокую стоимость. Управление станком осуществляется управляющей программой, вводимой в устройство числового программного управления. Траектория движения инструментов, режимы резания, смена инструментов, закрепление и раскрепление заготовки и другие рабочие и вспомогательные действия осуществляются в автоматическом режиме по управляющей программе, что обеспечивает высокую производительность. Для обработки другой детали в устройство ЧПУ вводится новая программа.

Станки с ЧПУ требуют высокой организации производства. Их простой приносит значительные убытки. Станок может простаивать только в короткий период ввода новой программы и наладки. Управляющие программы пишутся отдельно от станка технологами программистами. Наладка осуществляется высококвалифицированными наладчиками. За станком может работать оператор невысокой квалификации, задачей которого будет только установка заготовок и снятие обработанных деталей со станка. Причём один оператор может одновременно обслуживать несколько станков с ЧПУ.

На основе станков с ЧПУ может быть скомплектована линия изготовления детали. Каждый станок выполняет определённую операцию. После выполнения всех операций с ЧПУ будет получена готовая деталь. Передача заготовок между станками осуществляется партиями, при помощи технологического транспорта (автопогрузчики, пикапы, тракторы).

Так как станки с ЧПУ могут быстро переналаживаться на обработку другой детали путём ввода новой управляющей программы, то и вся линия станков с ЧПУ может быть быстро переналажена на выпуск новой детали. Такие линии называют гибкими производственными системами (ГПС). ГПС обладают высокой производительностью и универсальностью. Предприятие, оснащённое ГПС, способно быстро налаживать выпуск продукции, востребованной рынком. Но ГПС требую высокой организации производства, квалификации инженеров-технологов и наладчиков. Простой ГПС или ошибки в проектировании технологических процессов приводят к существенным убыткам.

Разработка технологических операций. На данном этапе разрабатывается каждая операция технологического процесса. Инженер-технолог выбирает схему построения операций и выполнения технологических переходов, производит расчёт точности получения размеров, назначает режимы резания (скорость основного движения резания, скорость движений подач, припуск на обработку), уточняет средства технологического оснащения.

В единичном и мелкосерийном производстве для сокращения временных затрат на технологическую подготовку производства целесообразно назначать режимы резания по справочникам. Данный способ обеспечивает среднюю производительность металлорежущих операций, так как справочники должны обеспечивать режимы резания, подходящие для любых условий обработки, а потому учитывают самые неблагоприятные условия и, соответственно, снижают скорости рабочих движений. К условиям обработки относятся: механические свойства обрабатываемого материала и материала режущей части инструмента, требуемая точность и шероховатость обработанной поверхности, жёсткость технологической системы станка, вид и состояние заготовки, наличие охлаждения зоны резания, мощность и кинематические возможности станка станка, требуемая стойкость инструмента и др.

В крупносерийном и массовом производстве режимы резания назначаются расчётным путём. Такой способ значительно более трудоёмкий и требует дополнительных затрат времени на технологическую подготовку производства, но позволяет назначить максимально возможные режимы резания для конкретных условий обработки. Это обеспечивает высокую производительность металлорежущих операций, что является одним из основных условий снижения себестоимости механической обработки. В крупносерийном и массовом производстве выгоднее затратить время на детальную разработку операций, чтобы обеспечить максимальную производительность при изготовлении деталей.

На основе режимов резания производится нормирование операций, т.е. определение затрат времени на выполнение каждой операции и общего времени изготовления детали. При нормировании определяется:

– машинное время – это время непосредственной работы станка, когда срезается стружка;

– вспомогательное время – это время на закрепление и раскрепление заготовки, контроль детали, смену инструмента, холостые ходы и другие вспомогательные действия;

– подготовительно-заключительное время – это время на подготовку партии деталей к запуску в производство;

– оперативное время – это время выполнения конкретной технологической операции;

– штучное время – это общее время изготовления одной детали.

Нормирование операций также может производится по справочникам, нормативам предприятия или расчётным путём.

Определяются операционные размеры и настроечные размеры станка. Операционный размер – это размер поверхности детали, который нужно получить после выполнения операции технологического процесса. Окончательный размер поверхности детали (размер по чертежу) должен быть получен после финишной операции для данной поверхности. Операционные размеры промежуточных операций учитывают припуск на последующие операции и отличаются от окончательного размера поверхности.

Настроечный размер станка – это размер, на который настраивается вершина инструмента для выполнения обработки. Настроечные размеры отличаются от операционных. Дело в том, что при механической обработке элементы технологической системы станка деформируются под действием сил резания на некоторую величину. Вследствие этого явления размер поверхности после обработки отличается от настроечного размера станка (от нескольких микрон до десятых долей миллиметра). Задача технолога состоит в том, чтобы, используя специальные методы расчёта, определить настроечные размеры по заданным операционным размерам.

Оформление технологических документов. Спроектированный технологический процесс оформляется в виде технологических документов стандартных форм. В результате составления технологической документации инженерно-технический персонал и рабочие получают необходимые данные и инструкции для реализации разработанного технологического процесса на предприятии. Виды документов, используемых при проектировании технологических процессов обработки резанием, регламентированы ГОСТ 3.1404–86. Это маршрутные карты, карты эскизов и операционные карты. В них содержится информация о технологическом маршруте, оборудовании, технологической оснастке, инструментах, операционном времени, операционных размерах, наличии охлаждении и др. Маршрутные карты и карты эскизов применяются в единичном и мелкосерийном производстве.

Операционные карты содержат подробную разработку технологических операций и применяются в серийном, крупносерийном и массовом производстве. Операционные карты также содержат операционный эскиз, информацию о настроечных размерах, режимах резания.

Спроектированный технологический процесс является основанием для организации снабжения основными и вспомогательными материалами, календарного планирования, технического контроля, инструментального и транспортного обеспечения, для определения необходимых производственных площадей, энергетических ресурсов, рабочей силы, а также для расчёта капитальных затрат и себестоимости изготовления детали или изделия в целом.

Вопросы для самоконтроля

1) Назовите основные этапы проектирования технологического процесса?

2) Как различается оборудование по уровню специализации?

3) Какими характеристиками обладают универсальные станки?

4) В каких типах производства целесообразно использовать специальные станки?

5) Как осуществляется управление станком с ЧПУ?

6) Каково содержание этапа «проектирование технологических операций»?

7) Как влияет заготовка на себестоимость изготовления детали?

8) Какие виды затрат времени определяются при нормировании операций?

Заключение

В учебном пособии были рассмотрены основные вопросы, связанные с современным машиностроительным производством. Отличительной особенностью пособия является его адаптация для студентов экономических специальностей. После освоения изложенного учебного материала специалисты знают основные понятия машиностроительного производства, теорию базирования, методы обработки и закономерности формирования свойств изделий, средства технологического оснащения производства, принципы проектирования технологических процессов изготовления деталей и сборки машин.

В учебном пособии были изучены разделы, рекомендованные примерной рабочей программой дисциплины, одобренной отраслевой секцией УМО по экономике и управлению на предприятиях машиностроения.

После освоения курса «Основы технологии машиностроения» специалисты экономических специальностей способны качественно производить анализ экономического состояния предприятия и оценивать влияние, оказываемое техническим и технологическим состоянием предприятия на экономические показатели, знают роль технологических процессов в формировании себестоимости изделий, понимают закономерности взаимодействия техники и экономики.

Литература

1. Боровков В.М. Заготовки в машиностроении: учеб. пособие / В.М. Боровков, А.С. Черемисин. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2007. – 87 с.

2. Данилевский В.В. Технология машиностроения / В.В. Данилевский. – М.: Высшая школа, 1984. – 416 с.

3. Допуски и посадки: справочник. В 2-х ч. Ч.1. / В.Д. Мягков, М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. – Л.: Машиностроение, 1982. – 543 с.

4. Ключко С.Л. Введение в специальность: учеб. пособие для вузов. В 3-х ч. Ч.1. Сущность, значение и виды обработки металлов давлением (ОМД). Теория ОМД / С.Л. Ключко. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2006. – 62 с.

5. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков. – М.: Металлургия, 1986. – 480 с.

6. Решетов Д.Н. Детали машин: учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов / Д.Н. Решетов. – М.: Машиностроение, 1989. – 496 с.

7. Станочные приспособления: справочник. В 2-х т. Т.2 / Под ред. Б.Н. Вардашкина, В.В. Данилевского. – М.: Машиностроение, 1984. – 656 с.

8. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроительных вузов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, А.Ф. Вязов и др. – М.: Машиностроение, 2005. – 592 с.

9. Технология машиностроения. В 2 т. Т.1. Основы технологии машиностроения: учебник для вузов / В.М. Бурцев, А.С. Васильев, А.М. Дальский и др.; Под ред. А.М. Дальского. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 564 с.

10. Тихонов А.К. Классификация, маркировка и применение металлических конструкционных материалов: методические указания / А.К. Тихонов. – Тольятти, Изд-во ТолПИ, 1997. – 47 с.