/
Автор: Карунин А.Л. Дащенко О.А. Гладков В.И.
Теги: тепловые двигатели (кроме паровых машин и паровых турбин) теплоэнергетика теплотехника машиностроение двигатель автомобиля двигатели внутреннего сгорания двигателестроение
ISBN: 5-06-000447-8
Год: 2006
Текст
Технология двигателестроения
Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РФ, д-ра техн, наук, проф. А.И. Дащенко
Издание третье, переработанное и дополненное
Допущено
Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобиле - и тракторостроение» направления подготовки «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы»
Москва «Высшая школа» 2006
УДК 621.43
ББК 31.365
Т 38
Рецензенты:
кафедра «Технология и металлорежущие системы автомобилестроения» МГИУ (зав. кафедрой, засл, деятель науки РФ, проф., д-р техн, наук О.В. Таратынов}; проф., д-р техн, наук, засл, машиностроитель РФ, лауреат Государственной премии О.И. Гируцкий (ГНЦ РФ ФГУП НАМИ)
Технология двигателестроения: Учебпмк/АЛ. Карунин,
Т 38 О.А. Дащенко, В.И. Гладков и др.; Под ред. А.И. Дащенко. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш, шк., 2006. — 608 с.: ил.
ISBN 5-06-000447-8
В учебнике комплексно рассмотрены вопросы технологии изготовления двигателей. Особое внимание уделено методам обеспечения качества поверхностей и точности обработки, технологиям упрочнения деталей, приведены сведения о современных средствах автоматизации процессов изготовления двигателей, даны примеры технологического оборудования, включая комплексные переналаживаемые и гибкие автоматические станочные и сборочные системы.
Для студентов конструкторских специальностей технических университетов. Учебник может быть полезен студентам технологических специальностей, дипломированным специалистам автомобильной промышленности, желающим повысить свою квалификацию в области технологии протводст-ва изделий машиностроения.
УДК 621.43
ББК 31.365
ISBN 5-06-000447-8
© ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2006
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается
ВВЕДЕНИЕ
Автомобильная промышленность во всех странах — ведущая отрасль машиностроения, оказывающая существенное влияние на технико-экономический уровень ряда других важных отраслей и на экономику стран в целом. Металлургические, нефтехимические, текстильные, резинотехнические, приборостроительные предприятия, заводы электротехнической и электронной промышленности работают в тесной связи с автомобилестроением. Одно рабочее место в автомобилестроении создает восемь рабочих мест в вышеназванных отраслях. В автомобилестроении России сейчас занято более 900 тыс. человек, что дает средства к существованию примерно 30 млн. жителей.
Именно автомобилестроение превратило в высокоразвитые промышленные страны США. Японию, Францию. Англию, Южную Корею. В настоящее время по этому пути следуют Китай, Испания и другие страны.
Автомобилизация России не удовлетворяет потребностям экономики и населения страны. На один автомобиль в России приходится лишь 8 % грузооборота, в США — 25 %, Европе — 54 %. Количество пассажиро-километров на одного жителя России в 3,6 раза меньше,'чем в Европе и Японии, и в 6 раз — чем в США. За последние шесть лет выпуск автомобилей в стране сократился более чем на 50 %, что, несомненно, выгодно производителям таких марок автомобилей, как «Вольво», «Форд», «Мерседес-Бенц», «Ивеко». Японские фирмы, создающие в нашей стране сборочные производства, развитую дилерскую сеть по продаже и техобслуживанию своих автомобилей, вытесняют российский автомобиль с внутреннего и внешних рынков. При этом наша страна песет огромные экономические и моральные потери.
Главной причиной такого положения, помимо существенного снижения выпуска автомобилей, стало снижение надежности, безотказности, качества машин в целом, включая экологическую безопасность, при существенном увеличении цен до уровня мировых, что делает их на мировом рынке неконкурентоспособными. Качество автомобиля зависит в первую очередь от конструкции, параметров и качества изготовления двигателей. Двигателестроение — важнейшая отрасль машиностроения.
з
Таким образом, развитие автомобиле- и двигателестроения имеет не просто отраслевое, а общероссийское, государственное значение.
Усилия специалистов должны быть направлены не только на существенное увеличение выпуска автомобилей, но и прежде всего на решение проблем обеспечения надежности, безопасности, долговечности автомобилей, сокращение их материалоемкости, трудоемкости, себестоимости, энергозатрат на изготовление, существенное уменьшение отрицательного влияния на экологию при их эксплуатации и последующей утилизации. Это наиболее «наукоемкие» проблемы создания и производства автомобилей, решаемые путем разработки современных конструкций и применения наиболее совершенных технологий их изготовления, методов организации и управления производственными процессами.
Совершенствование конструкций машин требует и непрерывного совершенствования технологии их производства, применения современного высокопроизводительного оборудования, инструмента, средств механизации и автоматизации производственных процессов. От технологии производства во многом зависят долговечность и надежность выпускаемых машин, а также затраты на их эксплуатацию.
Знание взаимосвязи функциональных, конструктивных и технологических факторов позволит проектанту принять такие конструктивные решения, которые помогут значительно сократить сроки освоения и трудоемкости новых изделий. Поэтому конструктор должен знать и уметь использовать инженерные решения, обеспечивающие достижение наилучших параметров изделия при наименьших затратах, ориентируясь на малоотходные производства, возможность применения современных технологий и автоматизированных средств подготовки производства.
Однако автомобилестроение имеет свои специфические особенности, связанные, с одной стороны, с крупносерийным и массовым характером производства различных моделей и модификаций двигателей и, с другой — необходимостью частой смены моделей для обеспечения высокой конкурентоспособности. Все это требует, чтобы возможности технологии учитывались еще на этапе проектирования автомобилей и их узлов.
Традиционное раздельное решение задач проектирования и производства изделий уже не удовлетворяет потребностям сегодняшнего дня, поскольку не может гарантировать ни высокого качества проектов, ни надлежащего уровня организации произ-
4
Иодства. В настоящее время проектирование изделий, технологий ИХ производства и подготовка производства ведутся практически одновременно. В процессе проектирования изделий формируется существенная часть информации, которая в дальнейшем используется для проектирования техпроцессов подготовки и организации производства. Поэтому при применении систем компьютерного проектирования становится актуальным совмещение указанных этапов, что требует от проектанта хороших технологических знаний. Возникает необходимость в подготовке специалистов, хорошо знающих теоретические и практические вопросы проектирования автомобильной техники и владевших знаниями технологической науки. В связи с этим в учебнике большое внимание уделено вопросам взаимосвязи конструкции изделий с методами обработки деталей и сборки сборочных единиц.
В настоящее время большое внимание уделяется созданию переналаживаемых и перекомпонуемых автоматизированных производственных систем, применению безлюдных, малоотходных, экологически чистых технологий. До появления гибких систем автоматизация производственных процессов ограничивалась массовым производством. Однако с уменьшением жизненного цикла изделий в результате научно-технического процесса и с соответствующим увеличением номенклатуры изготовляемой продукции возникла необходимость в создании производств, обеспечивающих изготовление деталей небольшими партиями при сохранении производительности, качества и себестоимости, присущих крупносерийному производству, т. е. создаются условия для развития гибких интегрированных систем и на их основе машиностроительных заводов будущего, включающих проектирование, технологическую подготовку, изготовление деталей и сборку изделий, управление производством, проектирование новых изделий.
Такие автоматизированные системы проектирования и изготовления изделий особенно эффективны в условиях многономенклатурного производства, сопряженного с многократными перестройками производства и переналадками технологического оборудования.
Третье издание книги подготовлено преподавателями Московского государственного технического университета МАМИ (гл. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) и специалистами Научно-исследовательского института технологии автомобильной промышленности — гл. 1, 2, 3.
Глава 1
Подготовка производства двигателей
1.1. Сущность подготовки производства и ее особенность
Автомобильный двигатель — наиболее сложный и ответственный агрегат любого транспортного средства, создаваемый конструкторами не только на основе всего предшествующего опыта, но и прежде всего с использованием самых последних достижений науки и техники не только в машиностроении, но и в смежных отраслях.
Качество конструкции двигателя и качество его изготовления целиком определяют технические, экономические, экологические и другие характеристики автомобиля, включая его безопасность и долговечность.
На рис. 1.1 показан общий вид современного двигателя легкового автомобиля; на рис. 1.2 — основные детали и узлы, из которых собирают двигатели.
Как видно из рисунков, двигатель состоит из большого количества детвлей, сопрягаемых друг с другом, причем большая часть из них работает в неблагоприятных условиях, подвергаясь большим динамическим нагрузкам в условиях трения и изнашивания.
Детали изготовляются из различных материалов в зависимости от условий работы машины, с заданным качеством обработки. Детали, имеющие определенное движение друг относительно друга, т. е. при динамических связях, изготовляют обычно с более высокими классами точности и чистоты обработки, чем детали, имеющие статические связи.
При проектировании двигателя необходимо располагать следующими исходными данными:
Jслужебное назначение с кратким описанием его работы и техническими требованиями;
рабочие чертежи двигателя и его отдельных деталей и узлов;
количество изделий, намеченных к выпуску, и плановые сроки выпуска;
6
Рис 1.1. Общий вид автомобильного двигателя
I I
I
Рис. 1.2. Детали и узлы двигателей
I
J условия снабжения завода всем необходимым для выпуска изделий и возможности кооперирования с другими заводами;
J наличие кадров, перспективы их подготовки, оказывающие влияние на разработку технологических процессов.
Эти исходные данные необходимы для детального выполнения задачи проектирования, технологического процесса и условий, в которых должна протекать их разработка и реализация.
Чем точнее определены исходные данные, тем быстрее и с меньшими затратами решается эта задача. Изменение технических условий или конструкций влечет за собой пересмотр технологических процессов, переделку технологической оснастки, перестановку оборудования и т. д. Происходит удлинение сроков подготовки производства и освоения выпуска новых машин, а следовательно, удорожание выпускаемой продукции.
В состав производственного процесса включаются все действия по изготовлению и сборке продукции, контролю ее качества, хранению и перемещению на всех стадиях изготовления, организации снабжения и обслуживания рабочих мест и участков, 8
управления всеми звеньями производства, а также все работы по технической подготовке производства. Рациональная организация производственного процесса невозможна без проведения тщательной технической подготовки производства.
Техническая подготовка производства включает:
1. Конструкторскую подготовку (разработка конструкции изделия и создание чертежей общей сборки изделия, сборочных элементов и отдельных деталей изделий, запускаемых в производство, с оформлением соответствующих спецификаций и других видов конструкторской документации).
2. Технологическую подготовку т. е. совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятий (или предприятия) к выпуску изделий заданного уровня качества при установленных сроках и объемах, определяемых спросом рынка.
К технологической подготовке производства относят обеспечение технологичности конструкции изделия, разработку технологических процессов, проектирование и изготовление средств технологического оснащения, управление процессом технологической подготовки производства.
Ответственной и трудоемкой частью технической подготовки производства является технологическое проектирование, трудоемкость которого составляет (в процентах от обшей трудоемкости технической подготовки) в условиях мелкосерийного производства 30—40, серийного — 40—50 и массового — 50—60.
Рост трудоемкости проектирования технологических процессов с увеличением выпуска продукции объясняется тем, что в крупносерийном и массовом производствах разработка процессов производится тщательнее, чем в серийном (увеличивается по общему объему, усложняется технологическая оснастка, подробнее разрабатывается документация).
Трудоемкость технологического проектирования в большинстве случаев заметно превосходит трудоемкость конструирования машин. Поэтому на каждом из этих этапов все большее применение получают информационные технологии и системы компьютерной поддержки принятия решений.
В основу разработки технологических процессов положены два принципа: технический и экономический. В соответствии с техническим принципом проектируемый технологический процесс должен полностью обеспечить выполнение всех требований рабочего чертежа и технических условий на изготовление заданного изделия. В соответствии с экономическим принципом
9
изготовление изделия должно вестись с минимальными затратами труда и издержками производства. Технологический процесс изготовления изделий должен выполняться с наиболее полным использованием технических возможностей средств производства, при наименьшей затрате времени и наименьшей себестоимости изделий.
Из нескольких возможных вариантов технологического процесса изготовления одного и того же изделия, равноценных с позиций технического принципа проектирования, выбирают наиболее эффективный (производительный) и рентабельный вариант. При равной производительности сопоставляемых вариантов выбирают наиболее рентабельный, а при равных рентабельностях — наиболее производительный. При разных производительностях и рентабельностях выбирают наиболее рентабельный при условии, что производительность всех сравниваемых вариантов не ниже заданной. В исключительных случаях (срочный выпуск особо важной продукции, ликвидация возникающих «узких» мест производства и пр.) в рамках данного завода и на определенный период времени за основу может быть принят наиболее производительный вариант процесса. Эффективность и рентабельность проектируемого процесса выявляют по всем элементам, из которых они складываются, либо определяют расчетом по укрупненным показателям.
Оптимизация технологического процесса заключается в том, что в установленный промежуток времени необходимо обеспечить выпуск потребного количества изделий заданного качества при минимальной себестоимости их изготовления. В простейшем случае оптимизируют отдельные технологические (обычно лимитирующие) операции. По установленным ограничениям определяют наивыгоднейшие режимы резания и другие условия обработки. Более сложная задача - оптимизация технологического процесса в целом; она решается методом динамического программирования с учетом влияния предыдущих операций на последующие. Поэтому нельзя изолированно по каждой операции принимать решение, при котором эффективность этой операции будет наибольшей. При оптимизации технологического процесса может измениться не только содержание операций, но и его структура.
Оптимизацию вновь проектируемых и действующих технологических процессов производят по различным целевым функциям. Чаще оптимизацию производят для получения наименьшей себестоимости изготовления изделий. В других случаях объ-10
вктом оптимизации могут быть наибольшая производительность или наивысшее качество производимых изделий. Знание основных закономерностей построения технологических процессов и Использование математических методов позволяют находить оптимальные решения с помощью ЭВМ.
Проектирование технологических процессов механической обработки имеет целью дать подробное описание процессов изготовления детали с необходимыми технико-экономическими расчетами и обоснованиями принятого варианта. В результате составления технологической документации инженерно-технический персонал и рабочие-исполнители получают необходимые данные и инструкции для осуществления спроектированного технологического процесса на предприятии. Технологические разработки позволяют выявить необходимые средства производства для выпуска изделий, трудоемкость и себестоимость изготовления изделий.
На основе проектного технологического процесса устанавливают исходные данные для организации снабжения основными и вспомогательными материалами, календарного планирования, технического контроля, инструментального и транспортного хозяйства.
Технологические процессы разрабатывают при проектировании новых и реконструкции существующих заводов, а также при организации производства новых объектов на действующих заводах. Кроме того, новые технологические процессы корректируют или разрабатывают на действующих заводах при выпуске невоенной продукции. Это вызывается непрерывными текущими конструктивными усовершенствованиями объектов производства и необходимостью систематического использования и внедрения в действующее производство новейших достижений производственной техники.
По объекту и условиям разработки технологические процессы подразделяют на единичные и типовые. Единичные разрабатывают па изделия одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства, типовые — на группу изделий с общими конструктивными признаками. Применяемые в промышленности групповые технологические процессы разрабатывают на конструктивно и технологически сходные изделия.
При проектировании новых и реконструкции существующих заводов разработанные технологические процессы являются основой проекта. Они определяют потребное оборудование, производственные площади и энергетику цеха, его транспортные средства, рабочую силу, необходимые основные и вспомогательные материалы.
и
От качества технологических разработок в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы завода.
При организации производства новых объектов на действующем заводе разработка технологических процессов предшествует подготовительным и организационным работам. На ее основе выявляют возможности использования имеющегося и необходимость приобретения нового оборудования, определяют потребное количество рабочей силы, инструмента, транспортных средств, материалов, энергии.
1.2. Роль конструктора в технологическом обеспечении качества изделия
Надежность, долговечность, экономичность двигателей и их агрегатов определяются качественной работой многих специалистов на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации. Роль и значение каждой стадии хорошо видны из определения, данного применительно к автомобилю: надежность должна закладываться при конструировании автомобиля, реализовываться при его изготовлении и поддерживаться во время эксплуатации.
На стадии проектирования необходимые свойства будущего изделия определяют путем совершенных расчетов, оптимизацией размеров и формы деталей, приводящей к снижению уровня рабочих напряжений, дисперсии и вибрации, а также выбором конструкционных материалов высокого качества и эффективных методов изготовления и упрочнения, обеспечивающих повышение предельных допускаемых рабочих напряжений в деталях, высокую стабильность характеристик прочности и долговечности последних.
Решения, принятые конструкторами, оказывают значительное влияние на технологическую стадию создания двигателей и их агрегатов, поскольку он на основе расчета рабочих напряжений выбирает материал для детали, определяет форму и размеры детали, выдвигает ряд требований на готовые детали по обеспечению качества поверхностей, структурного состояния отдельных зон деталей, устанавливает критерии оценки прочности и долговечности деталей, определяет все этапы технологических и производственных процессов изготовления деталей, узлов, агрегатов двигателя, начиная от заготовительных производств и заканчивая сборкой всего изделия.
12
По окончании работ на стадии проектирования технологи приступают к технологическому обеспечению производства: выбирают и разрабатывают технологические процессы и оборудование для изготовления заготовок литьем или штамповкой, изготовления деталей методами механической обработки, упрочнения деталей методами термической или химико-термической обработки, а также разрабатывают весь производственный процесс с учетом временных, информационных и экономических связей и зависимостей. Все работы выполняют с учетом особенностей конкретной детали и необходимости достижения требуемого по условиям эксплуатации комплекса свойств изготавливаемых деталей.
Все это говорит о четкой зависимости технологических вопросов от конструкторских, которые, в свою очередь, зависят от технологических. В частности, при расчетах предельно допустимых рабочих напряжений в деталях конструкторы должны учитывать технологическую неоднородность готовых деталей, которая является причиной того, что долговечность деталей не является константой. Технологическая неоднородность изготавливаемых деталей, вызванная вероятностным характером формирования в них микроструктуры, напряженного состояния, комплекса механических свойств, обусловливается рядом причин: изменением размеров и формы (деформация и коробление) деталей при их изготовлении, упрочнении и сборке; дисперсией свойств применяемых материалов (например, из-за колебания химического состава, прокаливаемости, размера зерна и т.п.); колебаниями технологических параметров, приводящих к разбросу показателей свойств обрабатываемых деталей (шероховатости поверхности, степени наклепа, соотношения составляющих микроструктуры, твердости, толщины упрочненного слоя и т.п.).
Таким образом, при создании новой конструкции изделия уже на этапе конструирования необходимо учитывать требования этапа изготовления.
Для более полной реализации своих замыслов конструктор должен хорошо представлять, что в технологии можно использовать и что необходимо разработать для изготовления оригинальной детали: новый материал, новый технологический процесс, иную организацию производственного процесса, специальное технологическое оборудование и т. п. Однако многие имеющиеся технические и технологические решения не всегда возможно сразу использовать для другой конструкции машины
13
(двигателя, автомобиля, трактора) в условиях конкретного производства, например, когда технологическая база завода не в состоянии выполнить требования конструкторов. В таком случае полностью пропадает эффект от хорошей идеи конструкторов, которые непроизвольно уже на стадии проектирования «закладывают» всевозможные отклонения и отступления от первоначального варианта конструкции детали или узла машины. Например, имеющаяся технологическая база не может обеспечить требуемой размерной точности изготовленных деталей (что довольно распространено).
Конструктор, определяя оптимальное значение параметра (например, твердость сердцевины зуба шестерни), стремится к наиболее узкому интервалу его изменения, а технолог, принимая во внимание возможности технологии, оборудования, применения различных сталей, наоборот, — к расширению этого интервала: чем больше интервал, в котором изменяется значение параметров упрочнения (твердость, глубина слоя и др.), тем больше дисперсия свойств используемых сталей и ресурса деталей. В результате при эксплуатации автомобильной техники потребуются большие затраты на ее обслуживание и ремонт.
Вследствие этого вопросы по качеству изделия, его надежности и долговечности даже при условии некоторого повышения материальных, трудовых и энергетических затрат при внедрении новшества в производство остаются приоритетными. Для их решения необходимо проведение работ по трем основным направлениям: совершенствование критериев и методов расчета; оптимизация размеров и формы деталей, обусловливающая снижение и стабилизацию рабочих напряжений в конструкциях; использование конструкционных материалов высокого качества и прогрессивных технологических процессов изготовления и упрочнения, обеспечивающих повышение предельно допустимых рабочих напряжений в деталях, высокую стабильность характеристик прочности и долговечности последних.
При совместной работе конструктора и технолога может возникнуть ситуация, когда прочность и долговечность детали после термического упрочнения не достигают уровней, заложенных в чертежах и технической документации. Причины могут быть разные. Например, неправильный выбор параметров упрочнения деталей на стадии проектирования. (Для цементованных и нитро-цементованных зубчатых колес — это твердость сердцевины, толщина эффективного слоя, твердость поверхности.) На практике возможны сочетания показателей, при которых, несмотря на их
14
Соответствие документации и кажущуюся обоснованность каждого в отдельности (особенно по аналогии с подобными деталями), детали недолговечны. В данном случае конструктору и технологу Следует совместно искать пути по устранению возникшей проблемы. При этом конструктор, не снижая требований по прочности и долговечности, должен изменить показатели упрочнения: снизить или повысить твердость, увеличить или уменьшить глубину упрочненного слоя, изменить соотношение составляющих в микроструктуре и т.п. В свою очередь, технолог должен устранить возможные неточности в технологических параметрах (температуре, скорости нагрева и охлаждения, длительности отдельных стадий процесса и т.п.).
Аналогичная ситуация возникает вследствие занижения расчетных напряжений (фактические выше), неудачного выбора материала (низкая прокаливаемость, склонность к росту зерна, большие колебания в химическом составе и т.п.) или по причине того, что с повышением нагрузки при эксплуатации данный материал и технологический метод его упрочнения уже не могут обеспечить требуемых свойств детален. Тогда необходимо переходить к более эффективным методам упрочнения, применению другого материала, изменению конструкции детали или даже узла, чтобы снизить напряжения на рабочих поверхностях деталей.
Задача конструкторов и технологов — сделать все, чтобы сопрягаемые детали работали в условиях, определяемых расчетами, и чтобы фактические нагрузки в контакте всегда были меньше прочности поверхностных слоев деталей. С учетом неизбежного рассеяния прочности деталей, вызванного отклонениями в их структуре, и рассеяния фактической нагрузки, вызванного неточностью деталей, соотношение между прочностью деталей и действующими нагрузками можно представить в виде схемы графиков (рис. 1.3).
Создание двигателей, отвечающих современным требованиям по надежности, долговечности, экономичности, безопасности, зависит от большого числа факторов и успешной работы многих специалистов. Главная роль в этой работе принадлежит конструкторам, они несут ответственность за весь процесс создания и поддержания двигателя и автомобиля в работоспособном состоянии: малый ресурс, поломки, неэкономичность, загрязнение окружающей среды и другие дефекты.
Разработка оптимальной конструкции является лишь одним из двух обязательных условий при создании эффективного двигателя. Другое обязательное условие — это технологичность
15
Рис. 1.3. Распределение фактической нагрузки (7) и прочности материалов (2) зубчатых колес;
а — желательное; б—нежелательное, зона разрушения
конструкции и обеспечение качества изготовления. О важности последнего свидетельствует тот факт, что 60—70 % отказов современных отечественных двигателей связано с низким качеством отдельных их деталей и узлов. В связи с этим работу по совершенствованию технологии следует признать одним из приоритетных направлений двигателестроения.
Для успешной совместной работы конструкторов и технологов необходимы определенные знания по смежным специальностям, особенно конструкторам, так как именно они уже на стадии проектирования в общих чертах определяют весь производственный процесс.
1.3. Объекты производства. Основные понятия и определения
Объектами основного производства в машиностроении (изделиями) являются машины и механизмы, их агрегаты и детали.
На рис. 1.2 показаны объекты производства завода двигателей легкового автомобиля (детали, сборочные единицы и агрега-
16
ТЫ). К деталям относят блоки цилиндров и головки блоков, поршни, поршневые пальцы, шатуны, распределительные и коленчатые валы, крышки различных типов и др.; к сборочным единицам — крышки в сборе, генераторы, стартеры, фильтры, датчики, реле, электронные устройства и т. д.
Изделием называют любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Изделиями могут быть машина, элементы машины или отдельные детали (для моторного завода изделием является двигатель, для завода поршневых колеи — поршневое копню). Выделены следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты
Деталь — это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Она может быть подвергнута термической обработке, упрочнению и различным видам покрытий.
Сборочная единица — это изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (например, опрессовкой, развальцовкой и т. д.). К ним относят при необходимости изделия, для которых конструкцией предусмотрена разборка их на составные части предприятием-изготовителем; совокупность сборочных единиц и/или деталей, имеющих общее функциональное назначение и совместно устанавливаемых на предприятии-изготовителе в другой сборочной единице; совокупность сборочных единиц и/или деталей, имеющих общее функциональное назначение, совместно уложенных на предприятии-изготовителе в укладочные средства (футляр, коробку и т. п.), которые предусмотрено использовать вместе с уложенными в них изделиями.
Комплекс — это два и более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.
Комплект — это два и более изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера.
Чтобы из исходных материалов и сырья получить изделие,.необходимо выполнить ряд операций производственного процесса:
— доставить материалы на предприятие;
— организовать их складирование и хранение;
— изготовить заготовки;
2 — 5935
17
— обработать заготовки в механических и термических цехах;
— осуществить сборку изделия;
— произвести окраску, испытание и упаковку.
Производственный процесс — совокупность всех действий людей и орудий труда для изготовления или ремонта продукции на данном предприятии.
Технологический процесс — часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и/или определению состояния предмета труда. В зависимости от требований, предъявляемых к детали, технологический процесс может включать различные операции: литье, штамповку, обработку резанием, сборку, испытание. Операции технологического процесса выполняются на рабочих местах с помощью различных средств.
Рабочим местом называют элементарную единицу структуры предприятия, на которой размещены исполнители работы, обслуживаемое технологическое оборудование, часть конвейера и предметы труда.
Технологическим оборудованием называют средства технологического оснащения, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещаются материалы или заготовки, средства воздействия на них, а также технологическая оснастка. К технологическому оборудованию относят станки, штампы, литейные машины, печи, испытательные стенды, гальванические ванны и т. д.
Операцией называют законченную часть технологического процесса, выполняемую на одном рабочем месте. Она является основным элементом производственного планирования и учета. Поэтому на нее разрабатывается и выписывается вся учетная и технологическая документация. Операция может выполняться за несколько установов.
При разработке технологических процессов необходимо стремиться к уменьшению количества операций, что приведет к уменьшению потребности в станках, рабочих, межоперационном транспортировании и производственной площади, следовательно, снижению себестоимости изготовляемой детали.
Устинов — часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы. Изменение положения заготовки относительно поверхности стола стайка или приспособления означает новый установ. Например, обтачивание вала с одного и другого концов до места зажима проводится за два уста-18
Иова, так как вал в течение одной операции дважды уставамиi Нют и закрепляют.
Позиция — фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой Сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования при выполнении определенной части операции. Установ и позиция имеют некоторые сходство и различие. Сходство заключается в ТОм, что при каждом установе и позиции достигаются новые взаимные положения заготовки и инструмента. Различие обусловливается достижением каждого нового положения различными способами: при каждом новом установе — перезакрепле-Нием заготовки, при каждой новой позиции — перемещением или поворотом заготовки или инструмента в новое положение. Следует учитывать, что замена установов на позиции сокращает время, так как поворот приспособления с заготовкой занимает меньше времени, чем перезакрепление заготовки. Операция может состоять из нескольких переходов.
Переход — законченная часть технологической операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установке. Технологический переход может состоять из нескольких проходов, или рабочих ходов.
Рабочим ходом называют законченную часть технологического перехода, состоящую из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхности и свойств заготовки.
1.4. Типы производства
Тип производства в машиностроении определяется программой выпуска одинаковых изделий и трудоемкостью их изготовления. Необходимость четкого разграничения типов производства вызвана неформальными соображениями. В зависимости от количества изделий, выпускаемых предприятием в течение года, определяется содержание проектируемых технологических процессов их изготовления и выбор необходимого оборудования, , инструментов, приспособлений и т. д. Типом производства оп-,< ределяется характер решения таких важных вопросов, как автоматизация и механизация производственных процессов. В ма
• 2*
19
шиностроении различают три типа производства: единичное, серийное и массовое.
Единичное производство — производство, характеризуемое малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как правило, не предусматриваются.
Серийное производство — производство, характеризуемое изготовлением или ремонтом изделий периодически повторяющимися партиями.
Массовое производство — производство, характеризуемое большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых продолжительное время, в течение которого на большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция.
Тип производства определяет расположение оборудования на производственной площади. При единичном производстве универсальные станки устанавливают по групповому признаку, т. е. токарные, фрезерные, сверлильные и т. д. Как при серийном, так и при массовом производстве осуществляется принцип поточной формы организации технологических процессов. К тому же массовое производство характеризуется строгим закреплением операций за определенными станками.
Тип производства характеризуется коэффициентом закрепления операций Кзо, определяемым по формуле
Кзо = TVoZ/Vp,
где No — число операций; Np — число рабочих мест, на которых выполняются различные операции.
Для различных типов производств Кзо имеет следующие значения:
Массовое.....................................
Крупносерийное...............................
Среднесерийное...............................
Мелкосерийное................................
Единичное....................................
Свыше I до 10
Свыше 10 до 20
Свыше 20 до 40
Свыше 40
При выборе технологического оборудования, проектировании оснастки и инструмента необходимо учитывать тип производства. В единичном производстве используют преимущественно универсальные станки, приспособления и стандартный режущий, а также универсальный измерительный инструменты.
При серийном производстве универсальное оборудование применяется значительно реже, появляется возможность широкого 20
использования револьверных, многорезцовых специальных станков и полуавтоматов, в том числе агрегатных. Применяются специальные приспособления, инструменты, что позволяет значительно ускорить обработку и снизить себестоимость продукции.
В массовом производстве в основном используют специальные оборудование, оснастку, режущий и измерительный инструменты. При этом следует ориентироваться на оптимальные методы изготовления деталей и сборки.
Основные формы организации технологических процессов
В машиностроении различают две формы организации технологических процессов: поточную и непоточную.
Поточное производство характеризуется:
J закреплением операций обработки деталей за соответствующими станками;
v' расстановкой станков в последовательности, соответствующей требованиям технологического процесса;
J непрерывностью производства, т. е. передачей обрабатываемых деталей от предыдущего станка к последующему без транспортировки их на склад.
Непоточное производство ориентировано на обработку деталей на станках партиями (после каждой партии станки переналаживаются на другую партию деталей), станки расставлены по операционным признакам (группа токарных, фрезерных, шлифовальных и т. д.), после каждой операции детали транспортируют на склад, где находятся до освобождения станков для следующей операции.
В производстве автотракторных двигателей, как и в автомобильной промышленности, в целом производство строится по потоку. Непоточное производство находит применение в тяжелом и специальном машиностроении при серийном и мелкосерийном выпусках продукции
Для единичного и мелкосерийного производства наиболее характерно расположение оборудования по группам: организуются участки токарных, фрезерных, шлифовальных и других станков.
При серийном производстве целесообразно применять групповую форму организации (участки обработки валов, шестерен, втулок). В этом случае каждый участок предназначен для изготовления одной или нескольких однотипных деталей.
21
Специализация производства на одних и тех же изделиях обеспечивает непрерывную загрузку оборудования заготовками. Это позволяет широко использовать специальные и специализированные станки и автоматы, сложные специальные приспособления и автоматизированные устройства.
На современном предприятии массового производства механическая обработка деталей производится при поточной форме организации, технологических процессов с широким применением автоматических линий и сборочных конвейеров.
Поточная линия характеризуется тактом работы. Под тактом Тпонимают интервал времени (мин), через который периодически производится выпуск изделий или заготовок определенного наименования, типоразмера и исполнения:
Т =
где F — действительный фонд времени работы оборудования в одну смену, мин; 7V, — количество изделий, подлежащих обработке на автоматической линии в смену.
При непрерывном потоке передача деталей от одного рабочего места к другому осуществляется непрерывно, что обеспечивает параллельное одновременное выполнение всех операций. Если длительность какой-либо операции больше такта, то ее делят на несколько операций, чтобы длительность каждой была равна такту.
Виды производственных технологических процессов
В зависимости от условий производства применяют различные виды технологических процессов.
Единичный технологический процесс ~ это технологический процесс изготовления или ремонта изделия одного нвименова-ния, типоразмера и исполнения независимо от типа производства. Единичные технологические процессы разрабатываются для оригинальных изделий (деталей, сборочных единиц), не имеющих общих конструктивных и технологических признаков с изделиями, ранее изготовленными на предприятии.
Типовой технологический процесс — это технологический процесс изготовления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками. Типовой технологический процесс характеризуется общностью содержания и последовательностью большинства технологических операций и пере-22
Ходов для группы изделий и применяется как информационная основа при разработке рабочего технологического процесса.
Групповой технологический процесс — это технологический Процесс изготовления изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками. Он представляет собой процесс обработки заготовок различной конфигурации, состоящий из совокупности групповых технологических операций, выполняемых на специализированных рабочих местах в определенной последовательности технологического маршрута.
Изготовление изделий заданного качества на производстве регламентируется соответствующей технической документацией.
Методы, используемые при разработке технологических процессов
В машиностроительном производстве используют два метода: концентрации и дифференциации операций.
Дифференцированный технологический процесс состоит из простых операций с небольшим числом переходов. Выполняются эти операции на универсальных станках.
Концентрацию операций технологического процесса производят при обработке деталей на многоинструментальных станках (многорезцовых, многошпиндельных и др.), обеспечивающих высокую производительность. Степень концентрации определяется размером и массой детали, программой выпуска, характером обработки, наличием необходимого оборудования. Концентрация операций осуществляется последовательным, параллельным и смешанным способами с применением оборудования, обрабатывающего несколько поверхностей детали, или объединении нескольких инструментов, обрабатывающих одну деталь.
Для реализации концентрированного технологического процесса предназначены различные типы станков и поточных линий по обработке деталей резанием: токарные станки (автоматы и полуавтоматы последовательного и параллельного действия); многокруговые шлифовальные станки; одно- и многопозиционные агрегатные автоматы и полуавтоматы, совмещающие различные виды обработки; автоматические линии.
Проектирование технологических процессов по методу концентрации операций позволяет во много раз сократить станко-емкость и трудоемкость изготовления деталей, увеличить производительность труда, снизить себестоимость выпускаемой продукции.
23
1.5. Новые методы подготовки производства
В последние годы в автомобильной промышленности при разработке новых моделей автомобилей и двигателей и подготовке их производства распространились методы так называемого быстрого прототипирования {Rapid Prototyping}. Суть этих методов заключается в оперативном изготовлении физических прототипов будущих деталей» узлов, агрегатов и мастер-моделей технологической оснастки по трехмерной математической (виртуальной) модели изделия, создаваемой с помощью компьютера. В отечественных публикациях по данной проблеме чаще всего используется название «лазерно-компьютерное макетирование» (ЛКМ) или «технология послойного синтеза» (ТПС).
Преимущества данной технологии заключаются в сокращении сроков изготовления изделий или их моделей в десятки раз за счет быстрого и экономичного преобразования виртуальной модели в физическое тело. Это, в свою очередь, способствует достижению высокой технологической гибкости производства, способного быстро обновлять выпускаемую продукцию..
Л КМ используют для решения задач в трех основных направлениях:
J оперативное изготовление прототипов сконструированных деталей для оценки их функциональных возможностей и дизайна и внесения в конструкцию необходимых корректив;
J изготовление мастер-моделей для создания технологической оснастки для получения отливок, изделий из пластмасс, композиционных материалов и порошков;
J изготовление литейных моделей для производства малых серий особо сложных деталей методом литья по выжигаемым моделям.
Технологии Л КМ основаны на совместном использовании мощных компьютеров и технологических лазеров, при взаимодействии которых без оснастки происходит выращивание деталей любой формы из жидкого, порошкообразного или листового материала (бумага, картон и др.), переводимого лазером в твердое или условно твердое состояние, позволяющее сохранять форму и геометрические размеры с достаточной точностью.
Общая для всех подобных технологий последовательность работы следующая (рис. 1.4):
24
Рис. 1.4. Основные технологические переходы Л КМ
J с помощью компьютера и САПР создается объемная геометрическая модель будущего изделия, которая программой декомпозиции разбивается на тонкие поперечные слои;
J на том же компьютере подготавливаются управляющие команды, описывающие контуры этих слоев1 и передающиеся непосредственно на систему управления технологической установки лазерно-компьютерного макетирования для изготовления прототипа требуемого изделия;
J рабочий орган установки (лазер) по командам компьютера обходит обрабатываемый материал слой за слоем, прорисовывая па поверхности очередного слоя соответствующую фигуру, в результате физико-химических преобразований обрабатываемого материала (полимеризация или деструкция) формирует изделие, при этом слои прочно соединяются друг с другом.
Компьютерная система и программы, управляющие процессом создания модели, позволяют запоминать, восстанавливать, преобразовывать (увеличивать или уменьшать) модель изделия. Этими способами можно получать изделия очень сложной формы, которые трудно, а зачастую невозможно получить традиционными методами, например обработкой резанием. Точность размеров моделей, получаемых различными способами быстрого прототипирования, колеблется в диапазоне 0,05—0,3 мм. Существует несколько способов формирования изделий (прототипов) (рис. 1.5).
1 Наиболее близким аналогом этих контуров являются линии равных уровней, отображающие рельеф местности на топографических картах
25
Краткие характеристики основных методов быстрого прото-оптирования
КОМ- те.хпило.'и» (1.aminated Object Manufacturing). Послойное выреза।ine СО» лазером объектов (слоев) из специальной ламинированной бумаги, картона, фольги или пластика по контуру с последующим соединением их подпрессовыванием разогретым валиком (см. рис. 1.5, а}. По этой технологии хорошо получаются односторонние сплошные рельефные поверхности.
Рис. 1.5. Способы ЛКМ:
а — £ОЛ/~технология; б — SLS-rex-нология; в — РМ-технояопы. Схема стереолитографии с отверждением материала световым потоком через специальные маски (г) с отверждением сканирующим лучом лазера (д)
ИйПример, мастер-модели литейных полуформ, оснастки для Листовой штамповки, выкладки деталей из композитов, вакуумной формовки полимеров, литья пластмасс и др. Эта технология является одной из наиболее дешевых, поскольку в качестве мо-: дельного материала используется бумага.
SLS-технология (Selectiv Laser Sintering). По этой технологии Изделия изготавливают методом селективного спекания лучом лазера тонких слоев порошкообразного композиционного материала (пластик, керамика, металл, песок). Слой порошка укладывают на плоскую поверхность, подогревают и раскатывают нагретым валиком. Энергия для спекания порошка в монолит поступает от СОз-лазера. Луч лазера, сканируя по поверхности, проплавляет порошок на заданную глубину и последовательно формирует поперечные слои, которые при соединении образуют необходимую трехмерную форму (см. рис. 1.5, 6). При использовании керамики и металлических порошков можно получать готовые элементы литейных форм и пресс-форм для пластмасс. Из песка — готовые литейные формы.
По окончании процесса неспеченный порошковый материал высыпают из емкости при извлечении из нее готовой детали.
РМ-технология (Particle Manufacturing). В основе этой технологии — последовательное формообразование слоев, на которые разбивается трехмерная виртуальная модель прототипа будущего изделия, напылением частиц термопластичного материала (см. рис. 1.5, в). Напыление разогретым до пластического состояния (до 120 °C) материалом осуществляют через экструдер, имеющий от 1 до 300 отверстий, и происходит оно в границах упомянутых сечений, повторяя их топографию. В результате накладывания слоев образуется необходимая фигура, которая при последующем охлаждении отверждается. Поскольку отверждение материала происходит очень быстро, границы слоев остаются четкими.
В случае неудовлетворительного результата изготовленный прототип может быть снова расплавлен и вторично использован.
SL-технология (Stereolithography), называемая еще стереолитографией, использует в качестве исходного материала жидкие фотополимеры.
Известны две схемы стереолитографии: с отверждением материала световым потоком через специальные маски (см. рис. 1.5, г) и с отверждением сканирующим лучом лазера (см. рис. 1.5, &).
Маски (фотошаблоны) представляют собой прозрачные пленки с нанесенными на них принтером контурами соответствующих сечений, созданных компьютером и хранящимися в его па
27
мяти. Участки пленки, не относящиеся к сечению, затемнены. В процессе изготовления детали на жидкий фотополимер через подставляемые одна за другой маски воздействуют потоком света. Фотополимер на незатемненных участках отверждается. Цикл повторяется до отверждения всех слоев, на которые разбита синтезируемая деталь. По мере изготовления модель опускается в ванну с фотополимером. Основной недостаток этого варианта 5£-технологии -г размытость краев модели вследствие сложности обеспечения равномерности светового потока по всему сечению.
Наибольшее распространение из всех технологий быстрого прототипирования получил метод лазерной стереолитографии, запатентованный американской фирмой «3D Systems».
В последние годы метод лазерной стереолитографии получает все большее распространение в отечественной науке и промышленности, в том числе для изготовления прототипов изделий двигателестроения. Процесс лазерной стереолитографии сочетает в себе проектирование с помощью компьютера и управляемый компьютером процесс фотохимических фазовых преобразований жидкого полимера под воздействием точно сфокусированного лазерного излучения.
Процесс изготовления прототипа изделия состоит в данном случае из следующих принципиальных стадий, типичных для ЛКМ:
J проектирование на компьютере объемной геометрической модели будущего изделия;
J подготовка управляющей программы по технологии выращивания прототипа из полимера:
J перенос по каналу связи разработанной программы в бортовой компьютер стереолитографической установки;
✓ изготовление прототипа изделия из полимерного материала на стереолитографической установке с использованием в качестве исходной информации геометрической модели, созданной с помощью САПР.
В принципиальную схему лазерной стереолитографической установки (рис. 1.6) входят: источник лазерного излучения со своим блоком питания, перенастраиваемый оптический тракт передачи излучения на материал, устройство изменения положения светового пятна относительно поверхности слоя изделия (с погрешностью не более 0,01 мм), устройство вертикального перемещения изделия, система поддержания уровня полимера в емкости (при толщине слоя 0,1—0,2 мм), шкаф электроавтоматики и система автоматического управления на базе персонального компьютера IBM PC.
28
Рис. 1.6. Схема установки лазерной стереолитографии
В рабочую камеру 1 наливается жидкий фотополимер 2. Система поддержания уровня жидкости в камере / обеспечивает ее подпитку в автоматическом режиме. Под управлением компьютера 8 в соответствии с программой, описывающей конструкцию изделия, ультрафиолетовый луч 9 лазера //, пройдя через оптический тракт /Л 5, фокусируется в виде пятна малого диаметра (0,1—0,3 мм) на поверхности 7 жидкого фотополимера. Электропривод 6 обеспечивает сканирование лучом лазера по-исрхности фотополимера в горизонтальной плоскости. Энергия излучения лазера вызывает в поверхностном слое локальную полимеризацию, приводящую к образованию тонкого (0,1—0,2 мм) твердого слоя. Далее затвердевший слой с помощью элеватора 4 погружается на заданную глубину, равную толщине слоя, и лазерный луч сканирует рисунок очередного слоя детали. Таким образом, на платформе 3 слой за слоем с погрешностью не более 0,01 мм последовательно наращиваются слои отвердевшего материала, прочно соединяющиеся друг с другом благодаря адгезионным свойствам полимера. В результате получается точное воспроизведение заданной компьютером виртуальной модели.
Типоразмерный ряд оборудования, выпускаемого фирмой «3D Systems» (США), включает установки с размерами ванн 250, 350 и 500 мм. В случае если размеры требуемой модели превышают размер ванны, можно разбить компьютерную модель на части, изготовить их по отдельности, а потом склеить. Точность
29
размеров и формы получаемого изделия при сравнении с его математической моделью находится в пределах 0,1—0,2 мм, что в большинстве случаев вполне допустимо.
В качестве рабочего инструмента в установках для стереолитографии применяют ультрафиолетовые лазеры с диапазоном излучения X = 3320 — 640 нм. Мощность гелиево-кадмиевого (HeCd) лазера достигает 30 мВ, аргоноионного (Аг) — 200 мВ, твердотельного Nd:YV04 — 300 мВ.
Сканирующее устройство, управляющее перемещениями лазера, имеет точность позиционирования +0,06 мм и рабочую скорость перемещения до 2500 мм/с. Толщина слоя полимера, наращиваемая за один рабочий цикл, обычно находится в пределах 0,05—0,1 мм.
В лазерной стереолитографии важная роль принадлежит фото-полимеризующимся композиционным материалам, которые обладают способностью отверждаться в слоях толщиной от нескольких микрометров до 2—3 мм, при этом с малой усадкой и небольшими остаточными напряжениями и деформациями. С помощью лазерной стереолитографии изготавливают пластиковые прототипы сложной формы многих компонентов двигателя (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Модели, изготовленные методом лазерной стереолитографии
30
В конструкторском центре фирмы «Мерседес-Бенц» при разработке двигателей используется восемь установок лазерной стереолитографии. Это помогает уточнять и дорабатывать конструкции и ускоряет изготовление деталей в металле. В последние годы на ряде промышленных предприятий нашей страны расширяется Применение технологий и оборудования лазерной стереолитографии, причем не только для изготовления конструкторских прототипов, но и для подготовки технологической оснастки. При изготовлении элементов формообразующей оснастки, пресс-форм или электродов-инструментов стереолитографическую модель используют в качестве мастер-модели или гальваноматрицы, с помощью которой затем выполняется точная копия (металлическая, композитная или керамическая) рабочей оснастки.
Возможности быстрого прототипирования, в первую очередь метода лазерной стереолитографии, вносят существенные изменения в подготовку производства двигателей, например в литейное производство, позволяя быстро изготавливать литейную оснастку для деталей, подверженных частым изменениям в процессе усовершенствования двигателя.
Ведущие машиностроительные фирмы за рубежом, организовывая подразделения лазерно-компьютерного макетирования, обычно оснащают их установками различных типов, чтобы охватить наиболее широкую номенклатуру изделий, к которым относят:
сложные детали из автомобильного и аэрокосмического производства, а также детали бытовой техники и предметы широкого потребления, требующие постоянного совершенствования и обновления;
детали и запасные части к изделиям, которые могут потребоваться в труднодоступных районах, например, для объектов водного или космического базирования;
детали, которые необходимо копировать с высокой точностью;
экспериментальные конструкции, включающие не более 15—20 деталей;
детали литейных форм, фасонные элементы штамповой оснастки.
1.6. Комплексные технологические процессы изготовления деталей
При изготовлении деталей двигателей применяют' различные сочетания отдельных технологических процессов, необходимое число которых и их последовательность составляют комплексный техно
31
логический процесс изготовления деталей. Структура комплексного технологического процесса каждой детали зависит от многих факторов: формы, материала, условий нагружения, технологической базы завода, наличия энергоресурсов и т. п. Так, при изготовлении детали литьем из чугуна в структуру комплексного технологического процесса входят такие отдельные процессы, как плавка чугуна, изготовление отливки в литейном цехе, термическая обработка' отливки1, механическая обработка, сборка. При изготовлении детали давлением (ковкой, штамповкой) в состав комплексного технологического процесса ее изготовления необходимо включать процессы изготовления штучной заготовки, поковки, разупрочняющей термической обработки поковок для улучшения их обрабатываемости резанием, механической обработки, упрочняющей термической или химико-термической обработки, финишные операции механической обработки, сборки.
При осуществлении всего комплексного процесса в результате целенаправленных воздействий (механических, термических, металлургических) происходит последовательное изменение формы и структуры заготовки материала. В соответствии с изменением формы и структуры материала формируются и окончательные геометрические и механические свойства деталей. Поэтому качество деталей, в том числе их надежность и долговечность, определяют качественным выполнением всех отдельных стадий и операций комплексного процесса.
При определении структуры комплексного технологического процесса необходимо учитывать технологическую наследственность, которая имеет очень большое значение в обеспечении прочности и долговечности деталей, особенно в стабильности этих характеристик.
Под технологической наследственностью надо понимать зависимость свойств готовых деталей от свойств материала, формируемых на всех предшествующих операциях его обработки. Технологическая наследственность привлекает внимание в связи с ее отрицательным влиянием на окончательную структуру и свойства деталей, в том числе и геометрическую точность. При этом результаты наследственности проявляются, как правило, на окончательных этапах производственного процесса: после окончательной термической обработки и на стадии сборки, где происходит оценка свойств материала (твердости, микроструктуры) и размеров деталей.
Для снятия напряжения, улучшения структуры.
32
Конструкторы и технологи всех специальностей, участвующие в изготовлении и упрочнении деталей, должны помнить, что окончательные свойства деталей и изделия в целом формируются на протяжении всего производственного процесса — от выбора материала, изготовления мерной заготовки до сборки. Наследственность имеет очень глубокие корни. Самое раннее ее проявление начинается с месторождения используемых руд, элементы которых присутствуют в металле: повышенное содержание серы и фосфора, некоторые легирующие элементы (хром, ванадий, никель) и т. д.
Каждая технологическая операция и каждый технологический процесс влияют на структуру и свойства материала, из которого изготавливается деталь. В большинстве случаев эти влияния оказывают воздействие на свойства материала, проявляющиеся на последующих операциях. Например, если зубчатое колесо штамповать из неточной мерной заготовки, то это отразится на плотности металла штамповки, ее точности. Затем при механической обработке неточных штамповок из-за неравномерного снятия стружки в деталях происходит неравномерный наклеп их поверхностных слоев, что при последующей термической обработке приведет к непредсказуемой деформации готовой детали. Если микроструктура штамповок после их термической обработки будет отличаться грубым строением и неравномерностью в распределении структурных составляющих (перлита, феррита, карбидов), то это приведет к снижению и разбросу окончательных свойств (твердости, толщины упрочненного слоя) деталей, которые упрочняются поверхностной закалкой при нагреве токами высокой частоты, а также повлияет на стабильность геометрической точности уже готовых деталей.
Поэтому при разработке технических и технологических мероприятий, направленных на повышение и стабилизацию эксплуатационных свойств деталей, при выяснении причин различных отклонений в микроструктуре и свойствах используемых материалов, а также в геометрии деталей, необходимо исследовать строение и свойства материала не только применительно к готовым деталям, т. е. на финишных технологических операциях, но наряду с этим настоятельно необходимо выяснить условия и процесс формирования этих структур и свойств на протяжении всего цикла изготовления, так как при этом происходит неоднократная перестройка структуры, что приводит к изменениям всех структурно чувствительных свойств готовых деталей: твердости, пределов прочности при растяжении, изгибе, вынос
» 5935
33
ливости, ударной вязкости и т. д. Можно утверждать, что структура готовых деталей имеет свою историю, от которой в значительной степени зависят надежность и долговечность деталей, узлов и механизмов машин, станков, приборов. Поэтому одна из важнейших задач конструкторов и технологов — определение и учет общих закономерностей в зависимости окончательных свойств и точности деталей от предыдущих состояний материала в связи с его обработкой на всех этапах изготовления деталей.
1.7. Технологичность конструкции изделия
Создание двигателей сопровождается непрерывным совершенствованием их конструкции. При этом повышаются требования к точности и качеству изготовления, надежности, долговечности, улучшаются условия управления и технического обслуживания автомобилей и их агрегатов. Изменение конструкции приводит к увеличению трудоемкости, затрат на материалы и средств для изготовления единицы продукции. Затраты на подготовку и освоение производства новых конструкций узлов и агрегатов двигателей зависят в значительной мере от технологичности конструкции.
Под технологичностью конструкции изделия понимают совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.
Одна из важнейших задач, решаемых при проектировании нового изделия, — отработка его конструкции на технологичность. В процессе такой отработки создается конструкция, позволяющая в производстве широко использовать наиболее прогрессивные и экономичные процессы обработки и сборки, применять комплексную механизацию и автоматизацию, использовать промышленные роботы и манипуляторы.
На начальном этапе проектирования при выборе технических параметров изделия необходим выбор основных производственных показателей — трудоемкости, металлоемкости и себестоимости. Эти показатели определяются методом прогнозирования относительной и удельной трудоемкости и себестоимости изготовления на базе аналогичных образцов. На последующих этапах полученные показатели корректируются более детальными расчетами и на
34
у их основе определяется степень унификации конструкции изделия в сравнении с соответственными показателями аналога.
t При отработке технологичности деталей необходимо произ-« вести выбор'.
|< J экономичной обработки поверхностей детали при упроще-ж нии ее конструкции;
В ✓ точностных и качественных характеристик поверхностей
деталей с учетом требований обеспечения заданных эксплуата-k ционных параметров и особенностей производства;
1 J конструкторских баз с учетом возможного их использова-$ ния в качестве технологических.
При отработке технологичности сборочных единиц необхо-4 димо обеспечение'.
f рациональной структурной компоновки сборочной единицы для удобства сборки и технического обслуживания;
s параллельной сборки и сокращения цикла общей сборки;
* использования прогрессивных методов фиксирования, ‘ центрирования и регулирования составных частей сборочной единицы для повышения точности и надежности сборки и снижения трудоемкости;
применения технологичных сборочных единиц, механизированную и автоматизированную сборку которых возможно осуществить.
При отработке изделий на технологичность происходит уменьшение:
материалоемкости (расхода материальных ресурсов) при изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия;
трудоемкости изготовления изделия:
энергоемкости изделия (расхода топливно-энергетических ресурсов на производство, техническое обслуживание и ремонт изделия).
Уменьшение материалоемкости осуществляют благодаря применению новых, более экономичных видов материалов, сплавов, порошковых изделий, штампосварных и сварных конструкций вместо монолитных; материалов с повышенными износостойкостью и физико-механическими характеристиками; современных методов металлических и неметаллических покрытий, твердых смазочных материалов, современных методов термической и химико-термической обработки материалов. Уменьшение трудоемкости изготовления изделия достигают при использовании:
35
J современных прогрессивных методов (литье по выплавляемым моделям, объемная штамповка, вырубка, выдавливание, высадка и т. д.) получения заготовок с уменьшенными припусками на обработку, форма и размеры которых соответствовали бы форме и размерам готовой детали;
J широкой унификации и стандартизации деталей и сборочных единиц, снижения числа их типоразмеров и номенклатуры;
•/ оптимальных технологических процессов изготовления и сборки (комплексной их механизации и автоматизации), процессов обработки заготовки без снятия стружки.
Оценку технологичности изделия, сборочной единицы или детали производят по основным и удельным базовым показателям, т. е. по прогнозируемой относительной или удельной трудоемкости и себестоимости. Кроме того, наряду с базовыми показателями технологичность конструкции и ее сборочных единиц и деталей может быть оценена дополнительными техническими показателями — коэффициентами использования материала, унификации и стандартизации, точности и шероховатости поверхностей.
Общую трудоемкость механической обработки и сборки То определяют по формуле
То — ТаКслКт,
где Тъ — общая трудоемкость изготовления аналога, нормо-ч; Л'сд — коэффициент, отражающий сложность конструкции проектируемого изделия; Кт — коэффициент снижения трудоемкости.
Трудоемкость Та определяется как сумма трудоемкостей изготовления и сборки:
Та YTia + ЕТ/сб,
где Е7/д и Е7}Сб — суммарные трудоемкости соответственно механической обработки деталей сборочной единицы и сборки и испытаний сборочных единиц, нормо-ч.
Коэффициент Ксл определяется как отношение параметров разрабатываемого изделия Р и аналога Ра-
Кл = Р/Р..
Для расчета принимают такие параметры, которые наиболее полно и точно отражают характеристики конструкции: мощность, грузоподъемность и др.
36
При оценке сложности конструкции двигатели <сл определяют из соотношений:
J мощностей = N/Na,
J объемов цилиндров А^л =
J масс сухих изделий К^л = М/Ма,
J удельных весов = р/ра-
Коэффициент Ксл > 1, так как при модернизации изделия обычно усложняется его конструкция.
Коэффициент Кт определяют по выражению
Кг = [Ю0/(АпТ + 100)] t,
ine Кт — планируемый среднегодовой рост производительности Фуда, %; / — период времени полной подготовки производства к выпуску изделия, для производства двигателей t = 1,5—3,0 года.
Удельный показатель 7уп технологичности конструкции по фудоемкости выражает трудоемкость механической обработки и сборки (нормо-мин), приходящуюся на единицу мощности, силы тяги, грузоподъемности.
Этот показатель характеризует при определенных объеме выпуска и типе производства прогрессивность проектируемой конструкции по сравнению с аналогом по приведенной трудоемкости ее изготовления:
Туп = 7п 60/Рп;
туа =тъ • 60/л,
где 7уП и Туа — удельные показатели по трудоемкости соответственно проектируемой конструкции и аналога; Рп и Ра — базовые показатели соответственно проектируемой конструкции и ана-иога, Тп и Та — трудоемкость проектируемой конструкции и аналога.
Оценку технологичности проектируемого двигателя и двигателя-аналога осуществляют по удельным базовым показателям трудоемкости, определяемым из соотношений:
J по мощности 7’1УП = Тп 60/Nn, Tiya = Та 60/Na;
J по массе Т2уп = Тп • 60/Л/п, Ргуа — Та • 60/Ма,
J по объему цилиндра 7зуп = Тп 60/Кц, Т$уа ~ Та 60/ Va.
Один из показателей технологичности конструкции — прогнозируемая технологическая, или общая, себестоимость изготовления проектируемого изделия, которая приближенно может быть определена по формуле < >
37
Сп (Сма "I" Сла) Кл "l" (С3п "С Снра) Кя, > где Сма, Спй, С3п и Снрг| — стоимость материалов, покупных новых сборочных единиц и деталей, заработная плата основных производственных рабочих, накладные расходы на аналог; Кы и Кп — коэффициенты, характеризующие соотношения соответственно сухих масс проектируемого изделия и аналога и их трудоемкостей:
, Км Ка — Т^/Та-
Прогрессивность и экономичность проектируемой конструкции оценивают по удельным базовым показателям — себестоимостям Суп и Суа:
Суп = Сп/Рп\ Суа — С&/Р-А, где Сп и Са — прогнозируемые себестоимости соответственно проектируемого изделия и аналога; Рп и Ра — базовые показатели соответственно проектируемого изделия и аналога.
Оценку проектируемого двигателя и двигателя-аналога осуществляют по показателям прогнозируемой и базовой технологических себестоимостей из соотношений:
z по мощности С|уп = Cn/7Vn, CIya = Ca/Na;
по массе С2уп Сп/Л/п, С2уа Са/Л/а, '
S по объему цилиндра С3уп = Cn/Vn, С3уа =
Экономичность конструкции определяют по приведенной себестоимости единиц мощности двигателя и его массы, %:
[(С1уа - С1уп)/С1уа] 100 %;
[(С2уа - С2уп)/С2уа] 100 %.
Масса всех составных деталей сборочной единицы является дополнительным показателем, по которому оценивают проектируемую и аналогичную ей конструкцию сборочной единицы. Массу сборочной единицы Мс5 определяют как сумму масс всех входящих в нее деталей — унифицированных и неунифицированных. При этом массу неунифицированных деталей рассчитывают приближенно, но с достаточной степенью точности и сопоставляют с массой аналогичных деталей действующих конструкций:
k I
Л/сб =
1 1
где и Zm,Iiy — массы соответственно унифицированных и неунифицированных деталей.
38
Иногда сравнительную оценку технологичности сборочной единицы целесообразно выражать через показатель Кум удельной металлоемкости:
= М/Р, inc М — масса сборочной единицы; Р — базовый показатель конструкции.
Один из наиболее точно характеризующих технологичность конструкции технический показатель — коэффициент Кни использования материала:
Д1м ^-‘ITli/ЕгП'зЬ
।дс Х/и,- — сухая масса сборочной единицы; Zm» — масса материала, расходуемая на получение заготовок.
Сравнивая Д1М проектируемой сборочной единицы и изде-иия-аналога, оценивают прогрессивность конструкции по массе и эффективность использования материалов при изготовлении laroTOBOK, обычно АиМ ~ 0,75. Однако при использовании заготовок, полученных литьем по выплавляемым моделям и в обо-почковые литейные формы, из металлических порошков, профильного проката Кпы может достигать 0,8—0,95.
Степень унификации характеризует преемственность конструкции и использование новых, стандартных деталей и сборочных единиц. Она выражается коэффициентом унификации:
Ку = (£у + ДУ)/(Е + Д), где £у и Е — числа сборочных единиц изделия соответственно унифицированных и неунифицированных Еу = Еуз + Еуп + Дт-; Д, и Д — числа унифицированных деталей, не вошедших в Д и Е, без крепежа соответственно унифицированных и неунифицированных
Ду ~ Дуз + Дуп + Дет, где Еу3 и Дуз — числа заимствованных соответственно сборочных единиц и деталей; Дп и Дуп — числа заимствованных соответственно поставляемых сборочных единиц и деталей; £ст и Дст — числа заимствованных стандартных сборочных единиц и деталей.
Определенный Ку для проектируемого изделия Сопоставляют с аналогичным показателем унификации базового изделия. Степень унификации современных изделий достаточно высока. Гак, например, уровень унификации семейства дизелей КамАЗ составляет 90—95 %, легковых автомобилей — до 80 %. '
Технологичность сборочной единицы необходимо оценивать также по показателям средней точности и шероховатости поверхностей и сопоставлять по этим показателям с технологичностью изделия-аналога.
Коэффициент Кп точности обработки сборочной единицы определяют по формуле
Ктч = 1 - 1/Лр = 1 - Ьг,А4л,-,
где Аср — средний квалитет точности,
A _YAini _ni + 2п2 +Зл3 + ... + 5п)
ср «j + п2 +п3 + ... +nt
nt — число размеров деталей данного наивысшего квалитета точности; А, — квалитет точности z-й детали.
Коэффициент Кш шероховатости поверхности — показатель, характеризующий шероховатость поверхности проектируемой сборочной единицы в производстве и эксплуатации. Чем выше точность обработки и ниже шероховатость поверхности, тем сложнее процесс изготовления деталей, больше трудоемкость и себестоимость. Его определяют по формуле
= 1//?ср = Ъг^/XR;,
где Rep — среднее значение параметра шероховатости оцениваемых поверхностей, мкм; п1ш — число поверхностей с наименьшей шероховатостью; R, — шероховатость оцениваемой поверхности.
Рассмотренные показатели технологичности конструкции необходимы при отработке проектируемого изделия на технологичность, так как по ним определяют наиболее рациональные конструктивные решения, основные технические, технологические и экономические показатели изделия в производстве и эксплуатации.
Вопросы для самопроверки
1. Что вы понимаете под комплексным технологическим процессом?
2. Что вы понимаете под технологической наследственностью?
3. Как влияет конструктор на состав комплексного технологического процесса?
4. Как конструктор должен учитывать влияние технологии на прочность деталей?
5. Назовите методы быстрого прототипирования.
6. В чем состоит суть лазерной стереолитографии?
40
Глава 2
Материалы, применяемые в двигателестроении
“Для изготовления деталей двигателей и их агрегатов используется большое количество самых разных качественных материалов. Вследствие возрастающих требований к автомобильной к-хнике их число постоянно растет, что затрудняет выбор про-II родителя.
Выбор материала должен производиться с учетом уровня его 'эксплуатационных свойств, обеспечивающих максимальную дол-ювечность деталей, и его стоимости; технологических свойств, i;ik как они позволяют применять наиболее экономичные и эффективные технологические процессы изготовления и упрочнения деталей с обеспечением низких значений трудоемкости, се-Оестоимости, энергопотребления и материалоемкости.
При выборе материала для конкретной детали следует руководствоваться общими, предъявляемыми к ним требованиями:
— должен обладать достаточными, по условиям эксплуатации, механическими свойствами, обеспечивающими способность детали сопротивляться действию механических, монтажных и термических напряжений;
— хорошей обрабатываемостью резанием (при изготовлении заготовок штамповкой и давлением);
— невысокой стоимостью.
Типы материалов для основных деталей двигателей
Деталь
Блок цилиндров.....
Материал
Серый и вермикулярный чугуны.
Алюминиевый и магниевый сплавы
I оловка блока цилиндров
Серый и вермикулярный чугуны. Алюминиевый сплав
Гильзы цилиндров
Кольца поршневые,
Серый и специальные незакаливаемые фосфористые чугуны.
Сталь
Серый, вермикулярный и высокопрочный чугуны. (__
Стали.
Бронза.
Металлокерамика
Коленчатый вал.................
Распределительный вал..........
Шатун.................... -...
Поршень..........;.............
Стали. (
Высокопрочный и ковкий чугуны
Стали.
Высокопрочный, ковкий и специальный серый чугуны
Стали.
Ковкий и высокопрочный чугуны
Алюминиевые сплавы.
Ковкий и вермикулярный чугуны
I'
Стаж находят самое широкое применение в двигателестрое-нии и представлены большим числом марок. Они классифицируются по химическому составу, способу производства, применению.
По химическому составу различают стали углеродистые, хромистые, хромоникелевые, хромокремнистые, хромомарганцево-титановые и т. д.
Многие стали, обладая различным химическим составом, имеют близкие свойства и применяются для одних и тех же целей.
Классификация сталей по способу производства учитывает особенности изготовления сталей и содержание в них вредных примесей.
Различают четыре группы стали: обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные.
Стали обыкновенного качества — углеродистые стали с содержанием до 0,6 % С. Их выплавляют в конвертерах и больших мартеновских печах, разливают в крупные слитки способом непрерывной разливки. Для них характерно повышенное содержание серы — до 0,06 % и фосфора — до 0,07 %. Стали характеризуются значительной ликвацией и повышенным содержанием неметаллических включений.
Основным элементом, влияющим на прочность сталей, является углерод: с увеличением его содержания прочность сталей повышается, а пластичность снижается.
Различают три группы сталей обыкновенного качества: группы А (СтО—Стб) поставляются по механическим свойствам; группы Б (БСтО—БСтб) — по химическому составу и группы В (ВСтО—ВСтб) — по механическим свойствам и химическому составу. Чем больше номер стали, тем больше в ней углерода, выше ее прочность, но меньше пластичность. Стали обыкновенного качества дешевы.
Стали качественные по химическому составу являются углеродистыми и легированными. Изготавливают их в конвертерах и основных мартеновских печах с более строгими требованиями по 42
I
составу шихты, процессам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,035 % каждого; неметалличе-। к их включений в этих сталях меньше, чем в сталях обыкновенного качества. Колебание содержания углерода в пределах марки нс должно быть больше 0,08 %. Маркируются эти стали сочетанием букв и цифр: первые две цифры обозначают содержание уг-исрода в сотых долях процента, буквы — элементы, содержащие-। и в составе стали; отсутствие после буквы цифры означает содержание этого элемента около 1 %, наличие цифры показывает среднее количество данного элемента. Например, Ст35 — углеродистая, в которой 0,35 % С, а 35Х — легированная с 1 % хрома.
Стали высококачественные по химическому составу в основном легированные, выплавляемые в электрических и в кислых мартеновских, печах. Содержание серы и фосфора в них не пре-и1.|1иает 0,025 % каждого; обладают повышенной чистотой по неметаллическим включениям. Колебание содержания углерода и пределах марки не больше 0,07 %. В марке этих сталей в конце (гавится буква «А». Например, 40ХНМА, 12Х2Н4А.
Стали особо высококачественные выплавляют в электрических печах с электрошлаковым переплавом (возможны другие методы); содержание фосфора и серы по 0,015 % каждого; в их составе уменьшенное содержание газов. Все это обеспечивает более высокую прочность, ударную вязкость, твердость. Стоящие в конце марки сталей буквы обозначают дополнительную обработку. Например, сталь 50ГСШ — 0,5 % С, около 1 % Мп, переплавленная с применением синтетических шлаков.
Способ производства оказывает существенное влияние на свойства сталей, благодаря изменению количества и формы неметаллических включений, которые являются опасными концентраторами напряжений (рис. 2.1). В случае сталей обыкновенного качества вокруг неметаллических включений возникает концентрация напряжений, причем при наличии включений вытянутой формы с острыми краями концентрация напряжений максимальна (см. рис. 2.1, а), при шаровидной форме включений уровень концентрации напряжений заметно ниже (см. рис. 2.1, б), а в случае их отсутствия напряжения распределяются равномерно (см. рис. 2.1, в).
Оценку уровня концентрации напряжений ок производят по формуле
Ок Фер 2-^ с/г,
где оСр номинальное среднее напряжение; с — длина трещины; г — радиус в ее вершине.
. 43
Рис. 2.1. Схема распределения напряжений в зависимости от формы неметаллических включений:
а — вытянутой формы; б — шаровидной; в — отсутствие включения
При очень малых радиусах г концентрация напряжений будет значительно превосходить оср и даже может превысить теоретическую прочность материала.
На основании вышеизложенного, при выборе сталей необходимо учитывать способ их производства — это важная характеристика свойств сталей и прежде всего механических.
Наиболее важной характеристикой сталей являются механические свойства и распределение их по сечению деталей. Основной элемент, определяющий механические свойства машиностроительных сталей и способность их воспринимать закалку, — углерод; его содержание в этих сталях изменяется от 0,05 до 0,65 %. Легирующие элементы в основном влияют на прокаливаемость и закаливаемость сталей.
Машиностроительные стали делят на три группы: используемые без термической обработки, упрочняемые по всему объему и упрочняемые в поверхностном слое.
Стали, упрочняемые при объемной термической обработке (улучшаемые), содержат углерода более 0,35 %. В средне- и высоколегированных сталях его содержание более 0,2 %. Свойства улучшаемых сталей различного легирования сильно отличаются в деталях большого диаметра (сечения), поэтому выбор марки стали зависит от требуемых свойств и толщины или диаметра детали.
Кроме улучшаемых сталей, от которых требуются высокая ударная вязкость и высокая пластичность, объемной термической обработке подвергаются стали, предназначенные для изго-44
рвления пружин, рессор и т. д., обладающих упругими свойствами. В этом случае стали содержат 0,5—0,7 % С часто с добавками марганца и кремния. Максимальные упругие свойства [предел упругости) достигаются после объемной закалки и сред-||етемпературного отпуска.
Стали, упрочняемые при индукционном нагреве, содержат р.4—0,65 % С. После такого упрочнения в деталях сочетается высокая твердость поверхностного слоя с вязкой сердцевиной. Поэтому детали после такой закалки обладают высокой износостойкостью и сопротивлением усталостным нагрузкам.
Цементуемые стали содержат углерода до 0,3 %, нитроцемен-туемые — до 0,45 %. После насыщения в поверхностном слое цементуемых деталей обычно содержится 0,8—1,0 % С, а в нит-роцементуемых — 0,7—0,9 % С и 0,1—0,2 % N. Толщина упрочненного слоя у цементованных деталей достигает до 2 мм, у нитроцементованных — до 1 мм. После диффузионного насыщения углеродом и азотом и последующей закалки и низкого отпуска поверхность детали имеет твердость 58—62 HRCg, а сердцевина в зависимости от исходного содержания в ней углерода и толщины детали — 28—45 HRC3. Все это обеспечивает высокие значения износостойкости, контактной и усталостной прочности деталей. Такие детали способны сопротивляться значительным пиковым напряжениям при работе.
Для повышения твердости, износостойкости и усталостной выносливости деталей широко используется азотирование. По содержанию углерода стали, применяемые для изготовления таких деталей, относятся обычно к улучшаемым сталям.
Ниже приведены основные марки и области применения машиностроительных сталей в зависимости от метода упрочнения деталей.
Чугуны широко используют в двигателестроении, так как они обладают хорошим комплексом механических и технологических свойств. Детали, изготовленные из чугуна, имеют достаточные значения прочности при сжатии и изгибе, выносливости, износостойкости, циклической вязкости, антифрикционно-сти, они недороги в изготовлении.
Характерной особенностью чугуна, во многом определяющей физические и механические свойства изготовленных из него деталей, является наличие в его структуре графита и его форма.
45
Марки стали' Назначение
Без упрочнения
08 кп, 10 кп, 15 кп................ Для деталей, штампуемых в холодном
состоянии
08............................... Для сложной гибки
С объемным упрочнением
После закалки и высокотемпературного отпуска
35,40,45, 50......................
35Г2,45Г2, 35Х, 40Х...............
45Х, 30ХС, 40ХС, 40ХФА;...........
40ХН, 35ХМ........................
30XH3A, 40ХН2МА..................
Оси, валы, роторы, штоки, зубчатые колеса, болты (максимальное сечение деталей до 15 мм)
Коленчатые валы, оси, шатуны *
Зубчатые колеса (максимальное сечение деталей до 35 мм)
Валы, зубчатые колеса, болты, шпильки (максимальное сечение деталей до 75 мм)
Валы, штоки, зубчатые колеса, оси (максимальное сечение деталей до 120 мм)
После закалки и среднетемпературного отпуска
65, 70,75, 80..................... Круглые и плоские пружины, пружин-
ные шайбы
60Г, 65Г, 70Г, 55ГС, 55С2А, 60С2Г....... Пружины, рессоры
50ХФА, 50ХСА........................ Пружины нажимного диска сцепления
70ХГФА............................... Пружины клапанов
С упрочнением поверхностных слоев
При индукционном нагреве
45, 55, 60, 45Х, 50Х, 55ПП, 47ГТ.. Валы, оси, зубчатые колеса
При цементации и нитроцементации
15,20,15 X, 15ХА, 15ХФ........... Детали с низкой прочностью сердцеви-
ны
12ХНЗА, 20Х2Н4А.................. Крупные детали с высокой прочностью
и вязкостью сердцевины
18ХГТ, 25ХГМ, 20ХН2М, 15ХГН2ТА, 25ХГНМТА......................... Зубчатые колеса
При азотировании
38Х2МЮА.......................... Шпиндели станков
40ХН2МА.......................... Зубчатые колеса, болты ответственнОт
го назначения
42ХМФА, 50Г....................... Коленчатые валы
46
По форме графитных включений чугуны подразделяют на че-ii.ipc класса:
J серый чугун (СЧ), в котором графит приобретает пластинчатую форму при кристаллизации отливки; отношение длины пластинки к ее толщине значительно больше 10;
ковкий чугун (КЧ), в котором графит расположен в виде компактных включений, сформированных в процессе термической обработки отливок из белого чугуна в результате распада цементита;
J высокопрочный чугун (ВЧ), графит которого имеет шаровидную форму, образующуюся под действием малых добавок в жидкий расплав магния или магния совместно с лигатурой из редкоземельных металлов (РЗМ) цериевой группы;
J вермикулярный чугун (ЧВГ), графит которого представляет укороченные и утолщенные пластины; он формируется под действием малых добавок в жидкий расплав лигатур различного состава ((РЗМ) цериевой группы, магний-церий, магний-титан и др.); отношение длины пластинки к ее толщине находится в пределах 2—10.
По структуре металлической основы чугуны подразделяют на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.
Особенности структуры чугунов (прежде всего наличие эв-1ектики) обусловливают его использование исключительно в качестве литейного конструкционного материала.
В зависимости от наличия в составе дополнительных элементов чугун подразделяют:
J на нелегированный, содержащий до 3,5—4 % Si; 1,5—2 % Мп; 0,3 % Р; 0,2-0,25 % S и 0,1 % Cr, Ni, Си;
J низколегированный, в котором содержание каждого легирующего элемента не превышает 1,0—1,5 %;
J среднелегированный, содержащий около 7 % легирующих • >лементов;
S высоколегированный, в котором содержание легирующих элементов превышает 7—10 %.
Добавки сотых и даже тысячных Долей процента таких элементов, как магний, азот, висмут, бор, считаются легирующими.
Для получения высококачественных чугунов в литейном производстве машиностроительных заводов применяют пбста-дийную обработку жидкого чугуна, что позволяет комплексно воздействовать на состав чугуна и целенаправленно управлять структурой и фазовым составом отливок. В связи с этим на ста-
47
дни подготовки расплава осуществляют легирование путем использования легированных шихтовых материалов или непосредственного ввода их в расплав в плавильном агрегате.
Рафинирование от кислорода и серы целесообразно проводить в ковше, а модифицирование желательно осуществлять перед заливкой или, что часто проще, в литейной форме.
С помощью сочетания указанных методов количественно и качественно изменяют соотношение структурных составляющих металлической матрицы, их строение, размеры, форму и характер распределения включений графита. Это оказывает влияние на механические и технологические свойства, в частности, на склонность к образованию усадочных дефектов в отливках.
Серый чугун весьма технологичный материал; он обладает хорошими литейными свойствами: низкой температурой плавления, высокой жидкотекучестью, малой (до 1 %) усадкой, низкой склонностью к образованию усадочных раковин и пористости, высоким сопротивлением образованию горячих трещин. Эти свойства позволяют стабильно получать отливки любой сложной конфигурации с минимальной толщиной стенки. Серый чугун обладает хорошей обрабатываемостью резанием; имеет достаточные для эксплуатации значения прочности.
Применяют следующие марки серого чугуна: СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧЗО, СЧ35. Цифры в марке чугуна указывают величину временного сопротивления в кг/мм2. Основные механические свойства некоторых марок серого чугуна приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Механические свойства серого чугуна
Показатели свойств и единицы измерения Марки чугуна
СЧ15 СЧ20 СЧ25 СЧЗО СЧ35
Временное сопротивление, МПа 150 200 250 300 350
Прочность, МПа:
при сжатии 600 750 850 960 1080
изгибе 350 420 490 560 630
кручении 173 240 290 345 403
Предел выносливости образца, МПа:
без надреза 68 90 115 135 145
с надрезом 68 87 105 122 129
Модуль упругости, ГПа 90 100 110 130 135
Демпфирующая способность, % 32 30 28 25 22
48
Особенности микростроения и поведения серого чугуна под нагруз- , кой. Свойства чугунных деталей объясняются микростроением чугуна и прежде всего наличием и формой включений графита.
Установлено, что действительная прочность чугуна оказывается ниже расчетной даже при учете размеров здорового сечения металлической матрицы, т. е. без площади, занятой графитом. Такое различие реальной и расчетной прочности чугуна объясняется надрезывающим действием графитных включений, т. е. искажением силового поля внутри металлической матрицы. При пом у концов включений графита напряжения значительно (в 8—15 раз) больше среднего напряжения, а напряженное состояние объемное.
В силу такого характера распределения напряжений серые чугуны очень слабо сопротивляются пластической деформации; остаточная деформация наблюдается даже при очень малых напряжениях (5—7 МПа).
Процесс деформирования серых чугунов сопровождается упругой и микропластической деформацией. Упругая деформация состоит из упругой деформации матрицы и микросдвигов, приводящих к изменению размеров графитных полостей. Пластическая деформация состоит из пластической деформации метал-нической основы и микроразрушений, которые происходят как v концов включений графита, так и внутри металлической матрицы, причем микроразрушения особенно интенсивно протекают в начале пластического деформирования. Микроразрушения в локальных микрообъемах металлической основы обусловливаются затрудненностью пластической деформации, которая уже при малых сдвигах приводит к разрушению.
В результате пластической деформации происходят резкое снижение напряжений в местах концентрации и приближение их уровня к среднему значению остаточных напряжений на данном участке отливки. Одновременно в результате такой дефор- -мации происходит местное упрочнение металлической матрицы, и значит, и повышение ее сопротивления дальнейшему пластическому деформированию. При этом релаксационные напряжения в отливке весьма малы.
Такое поведение серого чугуна под нагрузкой заставляет ипимательно учитывать при расчете и при анализе его механических свойств характер и историю нагружения. В частности, отмеченные особенности деформации чугуна (раскрытие полостей |рафита, наклеп и микроразрушения основы), а также деформа-
I 5935 49
ции, вызванные последействием и эффектом Баушингера после пластического течения при предварительном нагружении, могут быть причиной коробления деталей. ,
Отмеченными особенностями микростроения и механизмов упругой и пластической деформации объясняются следующие установленные факты:
J упругие свойства чугуна зависят исключительно от характера и величины графитных включений, а влияние матрицы при этом мало;
J чугун по-разному сопротивляется растяжению и сжатию, причем при сжатии свойства чугуна выше, чем при растяжении;
J серый чугун при деформации не подчиняется закону Гука; модуль нормальной упругости зависит от напряжений, линейно уменьшается с их ростом при растяжении;
J модуль нормальной упругости сильно изменяется в зависимости от марки чугуна — от 60 до 180 ГПа. В связи с этим модуль нормальной упругости не является показателем упругих свойств, а характеризует относительный объем металлической основы.
Модуль упругости Е при испытании на разрыв составляет 0,75—0,97, сжатие — 0,7—1,05, кручение — 0,4—0,5 от Е, определенного при изгибе.
В табл. 2.2 приведены марки серых чугунов, используемые для основных деталей двигателей.
Таблица 2.2. Марки серых чугунов для основных деталей двигателей
Детали Марка чугуна Ограничения по механическим свойствам
Блоки цилиндров СЧ20 СЧ25 Предел прочности, МПа: для блоков дизельных двигателей — не менее 240 для блоков карбюраторных двигателей — не менее 200
Головки цилиндров дизельных двигателей СЧ25 СЧЗО Предел прочности, МПа: для обычных двигателей — не менее 240 для двигателей с турбонаддувом — не менее 270 Твердость на привалочной плоскости — не менее 187 НВ
Гильзы цилиндров: незакаливаемые закаливаемые Специальные незакаливаемые чугуны СЧ20, СЧ25 СЧ25 Предел прочности — не менее 200 МПа Твердость 217—250 НВ Предел прочности — не менее 220 МПа Твердость 187—240 НВ Твердость гильз после закалки (объемной или поверхностной с нагревом ТВЧ) — не менее 40 HRC3
Продолжение табл. 2.2
Детали Марка чугуна Ограничения по механическим свойствам
1 Ьжимные цнски сцепления, маховики СЧ20 СЧ25 Предел прочности — не менее 200 МПа Твердость — не менее 187 НВ
Коллекторы выпускные СЧ15 СЧ18 —
Распредели-гсльные валы Специальный чугун Твердость на носике кулачка: отбеленного — не менее 48 Н RC3 закаленного — не менее 52 HRC3
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ) удачно сочетает в себе высокие механические свойства по ряду показателей, близкие К свойствам стали, с технологичностью серого чу-|уна. Временное сопротивление ВЧ изменяется от 380 до 1500 МПа, относительное удлинение — от 2 до 25 %.
Ферритный чугун марок ВЧ35, ВЧ40 обладает высокой пластичностью и ударной вязкостью. Перлитный чугун марок ВЧ45, ВЧ50 и чугуны после специальной термической обработки (ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100) имеют высокие статическую и усталостную прочность, а также повышенную износостойкость.
Высокопрочный чугун по сравнению со сталью обладает большей (в 2—3 раза) демпфирующей способностью и меньшей чувствительностью к концентраторам напряжений. Хорошие технологические свойства этого чугуна позволяют получать отливки сложной формы с толщиной стенки от 5 до 100 мм. При •пом он более склонен, чем серый чугун, к образованию усадочных дефектов. Обрабатываемость резанием отливок из высокопрочного чугуна хуже, чем из ковкого, но лучше, чем из стали.
Таблица 2.3. Марки и основные механические свойства высокопрочного чугуна
Марка чугуна Механические свойства
МПа, не менее ow> МПа, не менее НВ а, %, не менее
ВЧ35 350 220 140-170 22
ВЧ40 400 250 140-202 15
ВЧ45 450 310 140-325 10
|к. ВЧ50 500 320 153-245 7
К. ВЧ60 600 370 192-277 3
К ВЧ70 700 420 ' 228-302 2
К ВЧ80 800 480 248-351 2
К вчюо 1000 700 270-360 2
51
Механические свойства ВЧ в отливках зависят от скорости охлаждения, которая определяется толщиной стенки отливки, температурой заливаемого металла, условиями теплоотвода. Механические свойства контролируют на образцах из отдельно отлитых проб (табл. 2.3). Марки ВЧ для основных деталей двигателей с некоторыми характеристиками свойств и структуры приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4. Марки высокопрочного чугуна для деталей двигателей
Детали Марка чугуна Механические свойства
Коленчатые валы ВЧ60 ВЧ70 Для карбюраторных двигателей мощностью до 70л.с. Предел прочности — не менее 600 МПа Относительное удлинение — не менее 2 % Предел выносливости — не менее 250 МПа Твердость 229—300 НВ Дт карбюраторных двигателей мощностью более 70л.с. и дизельных двигателей до 90л.с. Предел прочности — не менее 700 МПа Относительное удлинение — не менее 3 % Предел выносливости — не менее 300 МПа Твердость 240—300 НВ После закалки с нагревом ТВЧ твердость шеек вала 55—60 HRC4
Крышки коренных ВЧ45 Твердость 180—220 НВ
ПОДШИПНИКОВ ВЧ50 X -
Корпус турбины, коллекторы выхлопных двигателей с турбонаддувом ВЧ45 Предел прочности, МПа: для корпуса — не менее 600 для коллектора — не менее 450 Относительное удлинение, %: для корпуса — не менее 2 для коллектора — не менее 6 Твердость, НВ: корпуса — 97—255 коллектора — 183—235
Ковкий чугун (КЧ). Эти чугуны в структуре имеют графит компактной формы (углерод отжига), благодаря чему обладают повышенной прочностью, пластичностью и по своим механическим свойствам приближаются к высокопрочному чугуну. Обрабатываемость КЧ при резании благодаря меньшему содержанию кремния лучше, чем у ВЧ.
Литейные свойства КЧ значительно хуже, чем у ВЧ. Толщина стенок отливок из-за низкой жидкотекучести не должна быть менее 8, но не более 50 мм, так как в массивных частях отливок при кристаллизации образуется пластический графит, ухудшается от-жигаемость (распад цементита при отжиге), усиливается объемная усадка. В табл. 2.5 приведены используемые марки ковкого чугуна. 52
if;.
Таблица 2.5. Механические свойства ковкого чугуна ,
Марка чугуна Временное сопротивление, МПа/кг/мм1 Относительное удлинение, %, не менее Твердость, Н
КЧЗО-6 294/30 6 100-163
КЧЗЗ-8 323/33 8 100-163
КЧ35-10 333/35 10 100-163
КЧ37-12 362/37 12 100-163
КЧ45-7 441/45 7 150-207
КЧ50-5 490/50 5 170-230
КЧ55-4 539/55 4 192-241
КЧ60-3 588/60 3 200-269
КЧ65-3 637/65 3 212-269
КЧ70-2 686/70 2 241-285
КЧ8О-1.5 734/80 1,5 270-320
; Механические свойства КЧ зависят от толщины стенки от-7ШВКИ. Область применения КЧ та же, что и ВЧ, но применение Г о тливок из КЧ ограничивается толщиной стенок (8—50 мм) и сравнительно несложной конфигурацией. Металлоемкость отлипни и готовой детали на 5—15 % больше, чем в случае использования ВЧ.
Ферритные чугуны марок КЧЗО-6 и КЧЗЗ-8 рекомендуется применять для изготовления деталей электрооборудования, от ; которых требуются минимальные значения остаточной индукции и коэрцитивной силы, а также для изготовления шкивов, f крышек, кронштейнов. Ферритные чугуны марок КЧ35-10, КЧ37-12 предназначены для изготовления нагруженных деталей пнтомобиля и двигателей: картеров (руля, маховика, редуктора), кронштейнов (двигателя), крышек коренных подшипников ди-’ зольных двигателей, чашек дифференциала. Перлитные чугуны * марок КЧ60-3, КЧ70-2 могут применяться для изготовления нагруженных деталей, работающих в условиях трения: шатунов, коленчатых и распределительных валов, поршней.
Вермикулярный чугун (ЧВГ). Графит в этом чугуне представляет собой в основном короткие, с утолщениями по длине и притупленными концами пластины, которые меньше расчленяют металлическую основу, чем обычный пластинчатый графит, и вызывает меньшую концентрацию напряжений. В структуре ЧВГ может быть до 30 % включений шаровидного графита.
В связи с изменением формы графитных включений прочность при растяжении находится в пределах 320—500 МПа, что соответствует прочности самой высокой марки перлитного се-
53
ч
рого чугуна и маркам ВЧ35—ВЧ45 высокопрочного чугуна. Относительное удлинение ЧВГ — не менее 1 %, в то время как у СЧ — меньше 0,5 % (табл. 2.6).
Таблица 2.6. Механические свойства чугуна с вермикулярным графитом
Марка чугуна сн, МПа с{) 2, МПа а, % НВ
ЧВГЗО 300 240 3,0 130-180
ЧВГ35 - 350 260 2,0 140-190
ЧВГ40 400 320 1,5 170-220
ЧВГ45 450 380 0,8 190-250
ЧВГ не склонен к образованию холодных трещин; по сравнению с высокопрочным чугуном имеет малую склонность к образованию усадочных дефектов; объемная усадка ЧВГ при 10 % шаровидного графита такая же, как у серого чугуна.
Применение ЧВГ постоянно расширяется. Наиболее перспективной областью его применения является дизелестроение. Этот вид чугуна рекомендуется для изготовления отливок, к которым предъявляются повышенные требования по прочности, герметичности, износостойкости, термостойкости.
Чугун с вермикулярным графитом рекомендуется взамен се^ рого чугуна с целью повышения прочности, пластичности, снижения растрескивания под действием динамических и термоциклических напряжений, а также вместо КЧ и ВЧ, если по условиям работы детали не испытывают больших ударных нагрузок. Чугуны марок ЧВГЗО, ЧВГ35 рекомендуется использовать для изготовления отливок высоконагруженных гильзованных блоков цилиндров дизельных двигателей с турбонаддувом, головок цилиндров дизельных двигателей, выпускных коллекторов; марок ЧВГ40, ЧВГ45 — для изготовления деталей, работающих при трении: маховиков, дисков сцепления, поршневых колец, поршней, крышек коренных подшипников.
Цветные сплавы. Необходимость снижения, веса автомобилей и двигателей привела к довольно широкому применению при их производстве сплавов на основе алюминия, магния и цинка. Особенно это характерно для производства микро- и малолитражных двигателей. Эти сплавы в зависимости от способа производства деталей подразделяют на литейные и деформируемые.
Алюминиевые литейные сплавы обладают высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин, малой литейной усадкой, хорошей герметичностью и достаточно 54
высокими для определенных условий эксплуатации физическими и механическими свойствами.
В связи с таким комплексом технологических и эксплуатационных свойств применение алюминиевых сплавов, кроме снижения веса, способствует:
J снижению коробления деталей, например блока цилиндров (благодаря снижению градиента температур в разных его зонах из-за высокой теплопроводности);
J улучшению теплоотвода от стенок цилиндров, что позво-пяет повысить показатели двигателя по мощности, экономично-CI и и КПД путем увеличения степени сжатия;
J изготовлению сложных по форме отливок с тонкими стенками (3—4 мм), малыми припусками на механическую обработку и готовыми отверстиями;
J снижению трудоемкости механической обработки отливок in недствие хорошей обрабатываемости резанием.
Литейные алюминиевые сплавы в зависимости от химического состава разделяют на несколько групп. Наиболее широкое применение получили силумины — сплавы алюминия с кремнием. Сре-пн них — высококремнистые (8—13 % Si) — АЛ2, АЛ4 и низко-кремнистые (4,5—6,0 % Si); с медью (1—3 % Си) — АЛ5, АЛ6, а также сплавы других систем легирования: алюминий—магний (4,5—11,5 % Mg) — АЛ8, АЛ13; алюминий—медь (4—11 % Си)— AJI7, АЛ12; алюминий—цинк (10—14 % Zn) — АЛ11.
С целью обеспечения жаростойкости (для поршней) применяют сплавы сложного легирования. Например, сплавы AJI25 и ЛЛЗО в своем составе содержат кремний, марганец, магний, медь, никель, цинк.
С целью повышения прочности отливки подвергают термической обработке. Наиболее часто используют искусственное старение при 175 ± 5 °C с выдержкой 12—15 ч без предварительной закалки, так как при литье в земляную форму или в кокиль происходит частичная закалка. В случае необходимости используют закалку и последующее искусственное старение. Закалку при этом проводят по следующему режиму: нагрев до 535 ± 5 °C, выдержка 4—6 ч, охлаждение в нагретой до 50—90 °C воде. Можно применять отжиг при 300 ± 10 ° С в течение 5—10 ч с последующим охлаждением на воздухе.
Сплавы на основе магния обладают высокой удельной прочно-ггыо, хорошо поглощают механические вибрации. Магний — самый легкий из применяемых в настоящее время металлов, его плотность — 1,74 г/см3 (у алюминия — 2,7). Сплавы на основе магния
, 55
хорошо обрабатываются резанием и свариваются, однако значительно уступают алюминиевым по пластичности и технологичности, имеют невысокий модуль упругости (45 ГПа), обладают низкой коррозионной стойкостью. Оптимальные механические свойства у отливок из магниевых сплавов достигаются при толщине стенок 2—4 мм. Магний обладает уникальной способностью к возгоранию, поэтому во избежание самовозгорания расплавленный металл держат под защитной атмосферой, например СО2, а режимы механической обработки должны обеспечивать крупную стружку.
Наиболее широко применяют магниевые сплавы (литейные и деформируемые) в авиастроении. Из литейных сплавов изготавливают нагруженные детали самолетов и двигателей (корпуса компрессоров, картеров, колонок управления и др.). За рубежом из магниевых сплавов изготавливают картеры сцепления на пикапы и автомобили небольшой грузоподъемности, раздаточные коробки грузовых автомобилей, крышки клапанного механизма, блоки цилиндров и др. В автомобильной промышленности используют литейный сплав МЛ5 (система Mg—Al—Zn—Мп) для изготовления блока двигателя МеМЗ-695.
Применение цинковых сплавов в автостроении обусловлено свойствами, отличными от других сплавов. Прежде всего — это высокая жидкотекучесть, поэтому их применяют для изготовления деталей сложной формы с тонкими сечениями. При изготовлении деталей литьем под давлением обеспечивается точность размеров 3—5-го классов с шероховатостью Ra = 5—1,25.
Другое преимущество цинковых сплавов по сравнению с алюминиевыми — более низкая пористость, что очень важно при изготовлении тонкостенных отливок. Большим преимуществом цинковых сплавов является то, что при их использовании по сравнению с алюминиевыми и бронзовыми отливками требуется значительно меньше энергоресурсов — на 25—50 и 40—75 %, соответственно.
Наиболее используемые алюминиевые, магниевые и цинковые сплавы для изготовления деталей двигателей приведены в табл. 2.7.
Содержание основных химических элементов в зарубежных магниевых и цинковых сплавах приводится в табл. 2.8.
Медные сплавы — сплавы меди с различными металлами. Применяют их для изготовления деталей высокой износостойкости, повышенной кислотоупорности, коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемости, а также способных работать в зонах высоких температур и давлений. Медные сплавы классифицируются на бронзы и латуни.
56
Т а б л и н а 2.7. Марки сплавов для деталей двигателей
Детали Сплавы
Алюминиевые Магниевые Цинковые
1.ИОКИ цилиндров АЛ4, АЛ9 AS41 МЛ5(МеМЗ-695) —
1 оловки блока цилиндров АЛ4, АЛ9 —
Картеры коробок передач легковых автомобилей АЛ4, АЛ9 —г —-
Картеры сцепления АЛ4, АЛ9 AS41.AZ91D
Картеры двигателей АЛ4, АЛ9 — —
Впускной газопровод АЛ4.АЛ9 AS41 —
Корпус фильтра тонкой очистки АЛ2 — —
Корпус масляной центрифуги АЛ2 — ZA12
Корпус карбюратора АЛ6 — ЦАМ4-1, ЦАМ 4-0
Крышка масляного насоса АЛ15В —-
Кронштейны АЛ15В AZ91D ZA-8, ZA-12,
пс на груженные ZA-27
11оршни АЛ1,АЛ25, АЛЗО, АКЦ, АК10М2Н — —
Радиаторы АД1, АМн, АМг — —
Таблица 2.8. Химический состав магниевых и цинковых сплавов
Марка сплава Содержание элементов, .%
А1 Zn Мп Si
AZ91D 8,3-9,7 0,35-1,00 >0,15 <0,10
AS41 3,5-5,0 0,12 макс. 0,2-0,5 0,5-1,5
А1 Си Mg Fe
ZA-8 8,0-8,8 0,8-1,3 0,015-0,030 0,075
ZA-12 10,5-11,5 0,5-1,2 0,015-0,030 0,075
ZA-27 25,0-28,0 2,0-2,5 0,010—0,020 0,075
Оловянную бронзу, представляющую собой сплав меди с слоном и содержащую присадки фосфора, цинка, свинца, никеля н других компонентов, применяют для изготовления антифрикционных деталей типа упорных шайб, втулок шатунов (БрОЦСЗ-12-5, БрОЦС4-4-17), пружин клапанов топливных насосов (БрОЦ10-2, БрОЦС5-5-5, БрОЦ4-3) (ГОСТ 613-79), герметичных деталей топливоподводящей арматуры и других деталей двигателей. Детали из бронзы, изготовленные штам-
57
повкой или гибкой, подвергают низкотемпературному отпуску при 200-250 “С.
Безоловянная бронза — сложные сплавы на медной основе, содержащие специальные присадки алюминия (алюминиевая бронза), бериллия (бериллиевая бронза), никеля, кремния, марганца и другие, которые обеспечивают повышенные механические и физические свойства. Из этого типа бронз изготавливают подшипники коленчатых валов дизелей (БрСЗО, БрСН60-2,5), пружины топливного насоса (БрКН1-3, БрКМцЗ-1) и некоторые другие детали.
Латуни — многокомпонентные на основе системы медь — цинк сплавы с присадками марганца, никеля, железа, кремния, олова, алюминия и некоторых других элементов. Применяют для изготовления редукторов, втулок регулятора и генератора, уплотнительных прокладок, деталей экономайзеров карбюраторов, пробок и жиклеров карбюраторов, тарелок впускных клапанов и других деталей.
Для уменьшения внутренних напряжений и недопустимости коррозии все изделия и заготовки из латуни рекомендуется подвергать отжигу при температуре 270 °C.
Антифрикционные сплавы применяют для заливки поверхностей вкладышей подшипников коленчатых валов, изготовления опорных втулок распределительных валов, головок шатунов и др.
Антифрикционные сплавы должны обладать небольшой твердостью, хорошей прирабатываемостью, коррозионной стойкостью, высокой теплопроводностью, небольшим коэффициентом трения, а также микропористостью для удержания смазочного материала. В качестве таких сплавов применяют оловяни-стые (Б89, Б83), свинцово-сурмянистые (БН, БТ) баббиты, малосурьмянистые свинцовистые (СОС6-6, БрСЗО) и свинцо-во-кальциевые (БК2) сплавы. Низкая температура плавления этих сплавов (380 — 480 °C) способствует их применению для заливки подшипников.
В настоящее время применение оловянистых баббитов ограничено вследствие их небольшой долговечности и высокой стоимости. Их использование целесообразно только при малых давлениях (12 МПа) и температуре не более 120 °C.
Наибольшей долговечностью и лучшими свойствами обладают малосурьмянистые свинцовистые сплавы СОС6-6 (6 % сурьмы, 6 % олова, остальное — свинец) и БрСЗО (с 30 %-м содержанием свинца), широко применяемые для вкладышей подшипников дизелей и нефорсированных двигателей. Свинцово-кальцие-58
вый сплав (БК2) используют в основном при ремонте втулок распределительных валов как заменитель баббита Б83. Для вкладышей коленчатых валов тракторных двигателей — алюминиевые сплавы АСМ. В последнее время в автомобильных карбюраторных двигателях применяют тонкостенные трехслойные вкладыши подшипников, обладающие повышенными антифрикционными свойствами и высоким сопротивлением усталостному разрушению. Вкладыши изготавливают из стальной ленты и баббита с медно-никелевым или порошковым слоем.
Пластмассы позволяют не только уменьшить массу деталей, но и обеспечить коррозионную стойкость, высокие термо- и электроизоляционные свойства, хорошую сочетаемость с металлами (армирование, взаимное покрытие), способны гасить вибрацию, получать детали сложной формы при малых затратах времени и почти полном отсутствии механической обработки.
Пластмассы — это неметаллические материалы, получаемые па основе природных и синтетических полимеров.
По технологичности пластмассы классифицируют на термопластические (термопласты) и термореактивные (реактопласты).
Термопластические пластмассы обладают свойством обратимости, т. е. в процессе переработки их структура не изменяется. К данной группе пластмасс относят полистирол, обладающий высокими электроизоляционными свойствами; полихлорвинил, имеющий наряду с хорошими электроизоляционными свойствами высокие ударную вязкость и химическую стойкость, и другие материалы. Из термопластмасс изготавливают водо-, масло-, бснзостойкие трубки, корпуса фильтров, вкладыши подшипников, прокладки и другие детали.
Термореактивные пластмассы при нагревании переходят в новое состояние (необратимого отверждения) и становятся непри-i одними к переработке. В исходном состоянии термореактивные пластмассы (фенопласты, аминопласты и др.) — это порошковая смесь, состоящая из связующей искусственной смолы (фенольно-п мочевиноформальдегидная и др.), наполнителя, катализатора, ускоряющего процесс отверждения (например, магнезия), краси-юля (анилиновые краски), пластификатора, уменьшающего хрупкость (касторовое масло и др.), и смазывающего вещества для устранения прилипания к пресс-форме (стеарин, олеиновая кислота и др.). Содержание связующего элемента в пластмассах достигает 4) 70 %. Наполнителем, предназначенным для повышения механической прочности, теплостойкости и уменьшения усадки, могут быть органические (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза,
59
бумага, ткань и др.) и неорганические (графит, асбест, кварц, стекловолокно и др.) материалы. Из этих пластмасс изготавливают кулачки, шкивы и другие детали сложной формы. ' >
Широкое применение в двигателестроении находят слоистые пластики на основе термореактивных смол (гетинакс, текстолит, асботекстолит и др.). В зависимости от свойств наполнителя эти пластмассы имеют различную прочность, ударную вязкость, теплостойкость, коэффициент трения, фрикционные свойства. Из гетинакса и текстолита изготавливают малонагруженные детали — шестерни, подшипники, втулки, шайбы, прокладки, элек-^ троизолирующие детали, шкивы ременных передач и т.п. Асботекстолит, получаемый из асбестового картона, пропитанного фенолформальдегидной смолой, и характеризуемый высокой теплостойкостью и высоким коэффициентом трения, применяют для изготовления дисков фрикционных муфт и других деталей.
В зависимости от назначения и формы деталей, а также свойств пластмасс заготовки получают прессованием, литьем под давлением, штамповкой и другими способами.
Порошковые материалы. Использование материалов, получаемых методами порошковой металлургии, кроме экономии металла, позволяет изготовлять детали точной формы с минимальной механической обработкой, характеризующиеся высокими жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными и другими свойствами. Химический состав порошковых материалов состоит из основного металла или компонента и примесей; технологические свойства обусловлены насыпной массой, текучестью, прессуемостью и спекаемостью.
В двигателестроении применяют металлические порошки из железа, бронзы, титана, нихрома, сплавов оксидов; композиции на основе медного и железного порошков, пропитанных графитом, маслом или пластмассой; порошки с различными легирующими добавками (свинец, никель и др.) и неметаллическими компонентами (асбест, кварц, графит и т. д.).
Получение металлических порошков производится механическими и физико-химическими способами. Механические более эффективны при получении порошков из отходов производства — стружки, скрапа, обрезков и т. п., причем исходный продукт измельчается без изменения химической структуры. Физико-химические методы получения порошка более универсальны. Ис-, ходным сырьем являются отходы производства — окалина, оксиды и т. п. Порошки тугоплавких металлов, сплавов и соединений могут быть получены только физико-химическими способами.
60
w
Технологический процесс производства деталей из порошков шключается в том, что тщательно смешанные и отожженные порошки прессуют в стальных пресс-формах с последующим спеканием при температуре ниже точки плавления основного И компонента исходного порошка. Металлические порошки при-fl меняют для изготовления фрикционных дисков, фильтров топ-fl пивной и масляной систем, шестерен масляного насоса.
fl Резиновые материалы. Основной вид сырья для производства " резиновых материалов — натуральные или синтетические каучуки в смеси с вулканизирующим веществом (обычно серой) и другими различными компонентами. Ими являются наполнители (сажа, оксид цинка, тальк, ткани и др.), уменьшающие расход каучука и улучшающие эксплуатационные свойства; мягчители (парафин, канифоль, стеариновая кислота и др.) для облегчения процесса смешивания резиновой смеси и обеспечения мягкости и морозоустойчивости; элементы, замедляющие процесс окисления (вазе-пин, ароматические амины и др.), а также красители (ультрамарин, нягисернистая сурьма и др.). Для ускорения процесса вулканизации в смесь обычно добавляют оксид свинца и др.
Технологический процесс изготовления резиновых технических деталей состоит из приготовления резиновых смесей, формовки, горячей или холодной вулканизации. Процесс горячей вулканизации осуществляют в специальных автоклавах в среде насыщенного водяного пара при температуре 140—160 °C и давлении 0,30—0,40 МПа или горячих формах на гидравлических прессах, а процесс холодной вулканизации — введением в состав резины раствора серы.
Резины по свойствам классифицируют на мягкие (эластичные), содержащие 1—3 % серы, и твердые (средней и повышенной твердости) с содержанием серы 27—35 %.
Вследствие высокой эластичности, способности к обратимо-еп1, теплостойкости, морозостойкости, масло- и бензостойкости и других свойств резиновые технические материалы находят широкое применение в двигателестроении. Из резиновых материалов изготавливают подушки опор двигателей, прокладки крышек подшипников коленчатого вала, прокладки патрубков вентиляции картера, прокладки и уплотнительные кольца цен-цюбежного фильтра, прокладки топливного насоса, передаточные ремни, электроизоляционные и другие детали.
Кроме рассмотренных материалов, в двигателестроении применяют износостойкие материалы (порошковые материалы для напыления), целлюлозно-бумажные (фильтрующие элементы, диэлектрики и др.).
• 61
1! + - " ‘ ''
Вопросы для самопроверки
I. Назовите типы материалов, используемых в двигателях.
2. Почему блок цилиндров двигателей изготавливают из серого чугуна?
3. ' Какие сплавы применяют для вкладышей подшипников коленчатых валов?
4. Как разделяются пластмассы по технологическому признаку?
5. Из каких сплавов изготавливают поршни? .
Глава 3
Прогрессивные методы получения заготовок
3.1. Способы получения заготовок литьем
Основные методы получения отливок — литье в песчаные формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное. Выбор метода литья зависит главным образом от программы выпуска, материала, требуемой точности размеров и форм поверхностей заготовки. Для изготовления литых заготовок наиболее часто применяют серые чугуны, углеродистые и легированные стали, а также бронзы, латунь, алюминиевые сплавы, обладающие высокими литейными свойствами, механической прочностью и пластичностью.
Технологический процесс получения заготовок заключается в изготовлении моделей, формовании литейных форм, .; пчаике металла и заливке его в формы, выбивке, обрубке и очистке отливок.
Наиболее универсально — литье в песчаные литейные формы, п потовленные формовкой уплотнением смесей. В большинстве (пучаев песчаные литейные формы изготавливают в парных опоках по разъемной деревянной или металлической модели.
При изготовлении заготовок из стали формовочную смесь изготавливают из огнеупорных материалов с низкой влажно-с гыо, а поверхности литейных форм и стержней покрывают огнеупорными красками.
При формовании отливок из чугуна в формовочные смеси лля уменьшения пригара добавляют каменноугольную пыль. Для формования заготовок из цветных сплавов формовочные (стержневые) смеси получают из мелкозернистых кварцевых песков, влажность которых во избежание образования газовых раковин должна быть не более 4 %.
Точность размеров отливки при литье в разовые деревянные формы соответствует 15—17-му квалитетам, в металлические машинные литейные формы при сборке стержней в кондукторах — 14-му квалитету по ГОСТ 25347—82. Параметр шероховатости поверхности таких отливок Яг = 320—40 мкм. ,
Механизация и автоматизация процессов формовки литейных песчаных форм и заливки металла позволяют повысить производительность труда и улучшить качество получаемых заготовок. Литье применяют при изготовлении заготовок коленчатых валов, чугунных поршней, гильз больших размеров и других деталей сложной формы.
Литье по выплавляемым моделям используют для получения небольших тонкостенных (толщиной до 0,3 мм) заготовок сложной формы, к точности размеров которых предъявляют высокие требования.
Выплавляемые модели I формуют в разъемных пресс-формах 2 (рис. 3.1, а) из двух и более частей с вертикальным или горизонтальным разъемом. Формовочную смесь, состоящую из воска, стеарина, модельного состава РЗ, содержащего парафин, синтетический церезин, буроугольный воск и кубовый остаток, а также другие материалы с температурой плавления 50—70 °C, подают под давлением в пресс-форму. После затвердевания модельного состава и извлечения модели из пресс-формы модели собирают в блоки 3 (см. рис. 3.1, б). Блок моделей покрывают жаропрочным слоем 4 при многократном окунании в специальную сметанообразную смесь, состоящую из маршаллита и свя-
Рис. 3.1. Схемы операции формовки при литье по выплавляемым моделям
64
ivioinero состава (этилсиликата или жидкого стекла) (см. рис. I I. в), с последующими обсыпкой в 3—10 слоев мелким кварцевым песком 5 (см. рис. 3.1, г) и отверждением на воздухе или в mipax аммиака 6 (см. рис. 3.1, д). Затем производят выплавление миисиьпого состава из полученной многослойной оболочковой формы и заформовывание последней в опоке путем засыпки । ппрцевым песком 5 (см. рис. 3.1, е) с последующим прокаливанием в печи 7 при температуре 850 — 950 °C (см. рис. 3.1, ж). Прокаленную форму 8 заливают жидким металлом (см. рис. 3.1, /I После охлаждения формы отливки выбивают, очищают и от-h'jihiot от них элементы литниковой системы.
Точность размеров отливки соответствует 11—15-му квалите-н|м, значения шероховатости их поверхности Rz — 40—10 мкм. II пвигателестроении литьем по выплавляемым моделям изго-кшиивают толкатели топливных насосов, крыльчатки жидкостных насосов и другие детали.
Питьем в оболочковые формы, изготовленные из песчано-смо-Р111ЫХ формовочных смесей, по сравнению с литьем в песчаные фирмы получают заготовки высокой точности из стали, серого, । никого и высокопрочного чугунов (например, коленчатый'вал । шпателя), а также из цветных сплавов при массе заготовок до НЮ кг и толщине стенок 3—15 мм.
Оболочковые формы изготавливают по горячей модельной и пастке 1 (рис. 3.2, а), нагретой до 200—250 °C, из специальной Формовочной смеси 3, состоящей из мелкозернистого кварцево-|н песка, термореактивных связующих материалов, увлажните-'!••(! (керосин, глицерин), растворителей (ацетон, этиловый । инрт) и других веществ, находящихся в опрокидывающем бун-I I'ре 2. Модельная плита поворачивается на 180°, формовочная । мсеь насыпается на нее.
Формовочную смесь на нагретой модельной плите выдержива-н»г до образования оболочки толщиной 5—15 мм (см. рис. 3.2, б). I (осле возвращения плиты в исходное положение (см. рис. 3.2, в) мсеь прокаливают в печи при температуре 300—350 °C. Полунищую таким образом твердую оболочку 4 снимают с модели . пениальным выталкивателем 5 (см. рис. 3.2, г). Заливка рас-шшвленного металла в такие формы может производиться как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. При заливке и вертикальном положении формы для предохранения от преждевременного разрушения помещают в опоку 6 и засыпают чу-ivinioft дробью 7 (см. рис. 3.2, д). Выбивку отливок из формы производят на вибрационных решетках или на специальных вы-
Фис. 3.2. Схемы операции формовки при литье в оболочковые литейные формы
бивных установках. При литье в оболочковые формы объем механической обработки сокращается на 30—50 %, металлоемкость заготовок — на 10—15 % по сравнению с литьем в песчаные формы. При этом обеспечиваются точность заготовки, соответствующая 12—16-му квалитетам, параметр шероховатости поверхности Rz — 80—20 мкм.
Широко применяют способ литья в постоянные металлические формы — кокильное литье. Кокиль изготавливают из стали, модифицированного чугуна и алюминиевых сплавов. Перед заливкой металла кокиль подогревают, затем' на его рабочие поверхности для уменьшения скорости затвердевания и охлаждения заготовки наносят теплоизоляционные покрытия из огнеупорных материалов (кварцевой муки, графита и др.) и связующего материала (жидкого стекла). При изготовлении сложных заготовок применяют кокили с комбинированным разъемом.
Кокильное литье, являясь полностью механизированным процессом, позволяет по сравнению с литьем в песчаные формы повысить производительность труда в 2—3 раза, сократить производственные площади, в 2 раза снизить затраты на формовочные материалы и уменьшить объем механической обработки заготовок. Этим способом получают заготовки с минимальной толщиной стенок 1,5—2 мм и массой 0,1—500 кг (например, алюминиевые поршни, корпуса привода распределителя зажигания, гильзы и др.). Точность размеров заготовки обычно соответствует 12—16-му квалитетам, шероховатость поверхности Rz = 80—40 мкм.
66
Литье под давлением — наиболее высокопроизводительный । пособ получения литых заготовок.
Заливку расплавленного металла производят в металличе-। hvio форму (обычно стальную) под давлением (около 100 МПа) при помощи специальной машины компрессорного или порш-iiriMiro типа с холодной или горячей прессовальной камерой.
Схемы процесса изготовления заготовок на машине с холодной камерой прессования приведены на рис. 3.3. Порция расплавленного металла подается в прессовальную камеру 1 (рис. U, а), где под действием поршня 2 через литниковые каналы шполпяет полость металлической пресс-формы (см. рис. 3.3, б). После охлаждения и затвердевания металла извлекают стержень I (см. рис. 3.3, в) и вскрывают пресс-форму, одновременно из псе выталкивателем 4 отливку (см. рис. 3.3, г).
Литьем под давлением получают отливки в основном из и истых сплавов, По форме, массе и размерам наиболее соответ-। шующие готовым деталям (например, корпуса смесительной кимеры, карбюратора и другие детали корпусного или коробча-loio чипа). Этим способом можно изготавливать сложные тон-iu к генные отливки с толщиной стенок до 0,60 мм и отверстиями диаметром до 1 мм с приливами, выступами, резьбой и т. д.
Рис. 3.3. Схемы литья под давлением на машине с холодной камерой прессования
67
При литье под давлением точность размеров заготовки соответствует 11—15-му квалитетам точности и значения параметров шероховатости поверхности Rz = 20—10 мкм, Ra = 1,25—0,60 мкм.
Центробежное литье применяют при изготовлении заготовок, имеющих форму тел вращения с внутренними цилиндрическими поверхностями (например, гильзы цилиндров, шестерни). Заливку металла производят во вращающиеся металлические, а в некоторых случаях и в комбинированные формы с нанесением на их поверхность формовочных материалов. Формирование отливок осуществляют под действием возникающих при вращении центробежных сил до полного затвердевания металла, после чего вращение формы приостанавливают и из нее извлекают готовую отливку. При данном способе литья обеспечивается хорошее заполнение форм металлом, снижается материалоемкость литниковых систем, а также возможно получение комбинированных заготовок. Точность размеров заготовки зависит от типа используемой формы (металлическая, керамическая, песчаная) и соответствует 13—15-му квалитетам.
Литье в вакууме на бестигелъных установках. Эффективность систем турбонаддува двигателей в большой степени зависит от качества изготовления основных элементов турбокомпрессора (ТКР), особенно колес турбины и самого компрессора. Так как колесо турбины испытывает очень высокие термические нагрузки и нагрузки от центробежных сил, его заготовки отливают из жаропрочных сплавов на никелевой основе, расплавляя металл и заливая его в вакууме в горячие керамические формы, изготовленные по выплавляемым моделям.
Для реализации данной технологии созданы комплекты оборудования, состоящие из линии для выплавления моделей и обжига форм и установки УЛ ВБ доя вакуумной бестигельной плавки металла и заливки форм производительностью до 40 плавок в час.
В состав установки УЛ ВБ входят: плавильно-заливочный агрегат, генератор средней частоты, генераторы высокой частоты (с механизмами подъема форм), гидростанция.
В качестве исходного материала (шихты) используют мерную цилиндрическую заготовку заданного состава диаметром до 32 мм и длиной до 200 мм, полученную литьем в вакууме при производстве сплава. Заготовку помещают в прибыльную часть керамической формы непосредственно перед установкой последней на одну из рабочих позиций УЛВБ. Затем в вакууме осуществляют направленную индукционную плавку мерной шихтовой заготовки, размещенной в верхней части формы, с последующим сливом расплава в рабочую часть формы. Расплавляемой диа-68
фршмой (пробкой), предотвращающей преждевременное попадание металла в рабочую часть формы, служит торец шихтовой ицхиовки, который расплавляется в последнюю очередь. Установка обеспечивает полную автоматизацию и стабильность процесса плавки металла и заливки форм в вакууме. Вручную выполняют только вспомогательные операции — транспортировку формы с предварительно размещенной в ней шихтовой заготов-। ой к рабочему столу УЛВБ и, если это необходимо, перенос за-иной формы на позицию кристаллизации, где предусмотрен подогрев прибыльной части отливок для лучшего их питания про кристаллизации. По сравнению с традиционными тигельными установка для литья в вакууме УЛВБ обеспечивает повышение производительности в 2—3 раза, снижение удельного рпсхода электроэнергии в 1,5 раза, увеличение выхода годного ЧИГ1.Я в 2—2,5 раза. Кроме того, на порядок уменьшается объем плавильных камер, упрощается вакуумная система и ее обслу-кнвание, а отсутствие подвижных устройств в плавильной камере обеспечивает стабильность рабочего вакуума.
Данную технологию можно применять не только для отлив-ми колес турбины, но и для литья других заготовок из разных металлов и сплавов, включая титановые.
Литье по газифицируемым пенополистироловым моделям — но-hbiii технологический процесс для массового производства ('ножных отливок из алюминия, чугуна и стали, позволяющий исключить применение литейных стержней при изготовлении шаивок сложной формы с внутренними полостями, например, коллекторов двигателей, головок блока и блоков цилиндров, коленчатых валов и др. Этот процесс в последнее десятилетие стал широко применяться в автомобилестроении промышленно разлитых стран, таких как США, Япония, Италия, Франция. Ак-। пкпые работы по его освоению ведутся и в России.
Способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) принципиально отличается от известных технологических процессов производства отливок тем, что модель не извлекается из формы при ее изготовлении, а образует единое целое с формовочной । мссью. При заливке формы металлом он замещает модель под т йствием тепловой энергии, образуя отливку, которая полно-11 ыо соответствует конфигурации исходной модели.
Технологический процесс ЛГМ состоит из нескольких основных операций:
изготовление частей моделей заготовки и литниковой сис-н мы из вспенивающегося суспензионного полистирола на специальных автоматических установках;
J склеивание частей моделей для Получения исходной модели на специальных полуавтоматах;
сварка на специальных полуавтоматах пустотелых полистироловых стояков и приваривание моделей к стоякам с образованием модельных блоков;
J окраска модельных блоков;
J формовка модельных блоков в опоках — контейнерах в сухом песке без связующих, заливка, охлаждение и выбивка готовых отливок; эти операции осуществляются на специальных автоматических линиях;
J регенерация формовочного песка.
В одной опоке может быть размещена целая группа моделей, связанных с центральным стояком, что позволяет увеличить количество отливок в опоке, сократить цикл производства и трудозатраты. Максимальные размеры полученных отливок — 700 х 700 х 680 мм, минимальная толщина стенки и диаметр получаемых отверстий — 3—4 мм.
Данная технология имеет значительные преимущества по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы (ПГФ). Упрощается процесс формовки, так как отсутствуют технологические операции извлечения модели, установки стержней, сборки формы. Отпадает необходимость применения стержней, а следовательно, ликвидируется их производство — один из трудоемких и материалоемких переделов в литейном производстве. Практически отпадает необходимость обрубки и очистки отливок, так как отсутствуют заливы, что значительно сокращает трудоемкость финишной обработки.
Основными направлениями развития литейного производства являются комплексная механизация и автоматизация изготовления отливок, применение современной технологии, обеспечивающей улучшение условий труда и повышение производительности.
3.2. Получение заготовок методами обработки металлов давлением
/
3.2.1. Горячая объемная штамповка
При горячей объемной штамповке (ГОШ) металл предварительно нагревают до ковочной температуры, диапазон которой для конструкционных сталей составляет 1200—1300 °C. Благода-70
I tn нагреву металл становится пластичным, сопротивление деформированию снижается на порядок по сравнению с прочно-• । ио в холодном состоянии. Под действием давления пресса на-11>сгый металл хорошо заполняет ручьи (полости) штампов, что ншполяет получать весьма сложные по форме поковки, исполь-ця широкую номенклатуру марок сталей.
Наиболее характерными деталями двигателей, заготовки ко-1орых изготавливают горячей штамповкой, являются коленча-п.1с валы, шатуны, впускные и выпускные клапаны, шестерни г пробок передач, обода маховиков и др.
Различают два основных вида нагрева заготовок под штамповку: нагрев в пламенных печах и электронагрев. Пламенные печи используют жидкое или газообразное топливо и могуг быть периодического или непрерывного действия. В крупносерийном и массовом производстве применяют автоматизированные печи • непрерывной загрузкой (методические толкательные печи). Основной недостаток пламенных печей — интенсивное образование окалины на поверхности заготовок.
Электронагрев более производителен, может быть полно-। гыо автоматизирован и существенно сокращает потери металла па образование окалины. Эти потери при индукционном и элек-|роконтактном нагреве составляют не более 0,2—0,4 % от массы впотовки, что в 10 раз меньше, чем в пламенных печах.
Штампованная в горячем состоянии поковка представляет со-(>oii заготовку для последующей обработки резанием. Размеры поковки подвержены воздействию эффекта теплового расширения, что учитывается при проектировании штампов. Кроме того, па поковках не может быть отвесных стенок, они заменяются штамповочными уклонами, в противном случае будет существенно затруднено их удаление из штампов. При расчете заготовки под ГОШ учитываются также потери на образование окалины.
Все эти факторы принимают во внимание при разработке чертежей поковок, назначая припуски на точные размеры и предусматривая напуски (дополнительные припуски) на тех участках конфигурации поковки, которые не могут быть получены штамповкой (рис. 3.4). Припуски и напуски удаляются затем на металлорежущих станках. Контуры готовой детали показаны 1011 кими линиями.
При разработке технологии учитывают также расход металла на гак называемый облой (заусенец). Это металл, вытекающий в >а юр между верхней и нижней половинами штампов во время штамповки (рис. 3.5). Роль его заключается в создании рпреде-
71
2
Рис. 3.5. Схема штамповки с облоем:
1 — облой; 2 — облой-ная канавка; 3 — мостик облойной канавки
Рис. 3.4. Пример чертежа поковки:
а — поковка, полученная на молоте; б — поковка, полученная на кгшп
ленного сопротивления истечению металла в этот уменьшающийся по ходу сближения половин штампа зазор, что способствует лучшему заполнению ручьев (формообразующих полостей) штампа и более качественному оформлению поковок. Доля облоя в общей норме расхода металла составляет 10—20 %. По завершении процесса штамповки облой всегда удаляют на отдельном прессе в специальном обрезном штампе, продавливая поковку сквозь фасонное отверстие штампа, повторяющее ее контур.
Среднее значение коэффициента использования металла (КИМ)1 при ГОШ обычно составляет 0,56—0,58, максимально он может подниматься до 0,7 при штамповке деталей, не имеющих большого количества точных размеров и не требующих в силу этого больших объемов последующей обработки резанием.
Коэффициент использования заготовки2 при грамотно спроектированной поковке и рационально выбранном технологическом процессе ГОШ может достигать 0,83.
В автомобильной промышленности горячая объемная штамповка осуществляется на четырех видах оборудования: молотах, кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП), горизонтальных многопозиционных горячештамповочных автоматах (ГША) и на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Применяют также специализированные методы штамповки, такие как вальцовка, поперечно-клиновая (ПКП) и поперечно-винтовая прокатка (ПВП). В кузнечных цехах их чаще используют для выполнения операций предварительного формирования загото-
1 Отношение чистой массы детали к норме расхода металла при изготовлении поковки.
2 Отношение массы поковки к массе заготовки.
72
Основу оборудования современных кузнечных цехов состав-hiiiot КГШП, так как они технологически универсальны, доста- . > 1очно легко автоматизируются, встраиваясь в поточно-механи-шрованные и автоматические линии. На ряде заводов отечест-псшюй автомобильной промышленности применяют и различные молоты. Для штамповки массовых деталей используют III1A, для штамповки деталей в виде стержней с фланцами или фасонными головками — ГКМ, в том числе и автоматические с тризонтальным разъемом матриц.
Штамповка на молотах. Из деталей двигателя на молотах чаше всего штампуют коленчатые валы и шатуны.
На молоте для формирования поковки используют энергию сю падающих частей. Масса последних у современных паровоздушных молотов доходит до 8 т. В силу особенностей энергети- / ческого режима работы молотов и в связи с отсутствием у них выталкивателей из штампов на них нельзя выполнять операции вылавливания или прошивки глубоких полостей. Из этих же соображений штамповочные уклоны и припуски на поковках при- _ ;
ходится делать достаточно большими, что приводит к повышен- I ному расходу металла (см. рис. 3.4, а).
Преимущества молота в том, что количество наносимых уда- j1 ров не связано жестко с количеством ручьев молотового штампа. Благодаря этому в специальном ручье штампа можно выполнять операцию протяжки, удлиняя заготовку до необходимого размера последовательными ударами. Кроме того, при штамповке в последнем ручье можно нанести по поковке некоторое ко-ипчество повторных ударов для лучшего ее оформления.
На молоте можно выполнять операции осадки в торец, про-1нжки, гибки, предварительной и окончательной штамповки. ( амая нагруженная — последняя позиция — обычно размешается посередине, ближе к оси действия деформирующей силы. Конструкция типичного многоручьевого молотового штампа для изготовления поковки с изогнутой осью показана на рис. 3.6.
Штамповка на КГШП. Современные КГШП позволяют штамповать крупные поковки массой до 50—60 кг. Одной из ыких поковок является, например, коленчатый вал двигателя. )1а КамАЗе коленвал производят на автоматизированной линии, в которую входят кривошипно-клиновые прессы усилием ш> 40 МН.
73
5 j J
t
i
Рис. 3.6. Конструкция молотового штампа:
а — штамп в разрезе: 1 — хвостовик; 2 — полость штампа; 3 — зеркало штампа; 4 — крепежный клин; 5—сухарь; 6 — подштамповая плита; б— вид на нижнюю часть штампа: / — протяжной ручей; 2— подкатной ручей; 3 — гибочный ручей; 4 — предварительный ручей; 5 — окончательный ручей
f t
i',
При штамповке на КГШП применяют два основных способа деформирования:
J штамповка заготовки в торец; штамповка заготовки плашмя.
Количество переходов штамповки и количество ходов пресса здесь совпадают.
Штамповкой в торец получают осесимметричные поковки. Основные операции — фасонирование, предварительная и окончательная объемная штамповка, прошивка и прямое выдавливание.
Фасонирование —- это придание заготовке первичной формы, удобной для размещения в следующем ручье штампа. Оно может выполняться осадкой с образованием ступиц или осадкой с выдавливанием. При этом можно придавать заготовке достаточно сложные формы: от простой бочки до фигуры с полостью. Далее следуют операции предварительной и окончательной штамповки, а при штамповке деталей с отверстием — пробивка перемычки. Прошивкой получают глухие полости, выдавливанием — различные хвостовики.
Типичные переходы штамповки в торец для различных деталей показаны на рис. 3.7, а, б, в.
Для изготовления поковок клапанов применяют операции прямого выдавливания. Сначала выполняют предварительное прямое выдавливание стержня из заготовки, диаметр которой 74
несколько меньше диаметра тарельчатой части клапана. При ном объем металла в части заготовки, оставшейся недеформи-рованной (пресс-остатке), примерно соответствует объему будущей тарельчатой части, которую оформляют на следующей операции. Здесь одновременно придают окончательную форму го-иовке клапана закрытой осадкой и удлиняют его стержень выдавливанием.
Штамповкой плашмя получают поковки с вытянутой и (или) изогнутой осью. Процесс всегда осуществляется с облоем. По со-нсржанию формообразующих переходов он отличается от штамповки осесимметричных деталей. Здесь важную роль играют предварительные ручьи штампа, называемые подкатными. Форма их полостей представляет собой приближенные, сглаженные очертания будущей поковки, что позволяет так перераспределить металл вдоль продольной оси, чтобы исключить брак из-за не-ностаточно качественного заполнения. Для деталей с изогнутой осью обязательна гибка, выполняемая в специальном ручье.
В ряде случаев штамповку в подкатных ручьях заменяют вальцовкой на ковочных вальцах или станах поперечно-клиновой прокатки, установленных на участке штамповки. Для круп-75
В
ных массовых деталей, например коленчатый вал двигателя, иногда применяют в качестве заготовки периодический прокат. Вальцовка и применение периодического проката, благодаря которым осуществляется предварительное распределение металла вдоль оси будущей поковки, позволяют упростить и удешевить конструкцию ковочного штампа, сократить расход металла и повысить общую производительность процесса ГОШ.
Прокатанные на станах периодической прокатки заготовки применяют, в частности, для штамповки коленчатых валов.
Типичный технологический маршрут горячей штамповки на КГШП заключается в разделении исходного проката на заготовки на ножницах (в холодном состоянии или с подогревом), нагреве заготовок до ковочной температуры (1200—1300 °C в зависимости от марки стали) в пламенных печах или ТВЧ и штамповке за 2—4 перехода. Обрезку облоя вокруг поковки выполняют на отдельном обрезном прессе, продавливая ее пуансоном через фигурное отверстие в матрице, соответствующее контуру поковки. Штампы периодически смазывают технологической смазкой на основе коллоидального графита.
В качестве примера штамповки сложной поковки с изогнутой осью на рис. 3.8 показаны переходы штамповки коленчатого вала. После обрезки облоя и правки вал поступает на специальный гидравлический пресс для выкрутки шатунных шеек на необходимый угол. Далее производится его правка, которая обеспечивает необходимое положение коренных и шатунных шеек относительно главной оси (на рис. 3.8 не показано).
Рис. 3.8. Переходы штамповки коленвалов:
.а — заготовка; б— гибка; в — предварительная штамповка; г — окончательная штамповка; д — обрезка облоя; е — высадка фланцев на ГКМ
76
Штамповку на ГКМ выполняют в разъемных матрицах, бла-Iпиаря чему можно получать сложные поковки типа стержней с нишевыми или смещенными утолщениями, а также полых по-мнюк с несколькими буртами. Основная формообразующая операция — высадка, т. е. осадка части заготовки. Для получения 1ЮПЫХ поковок используют прошивку.
Существуют ГКМ с вертикальным и горизонтальным разъемом матриц.
На ГКМ с вертикальным разъемом работа ведется из прутка, конец которого предварительно нагревается до ковочной темпера |уры в щелевой или очковой пламенной печи или специальном щелевом индукционном нагревателе. Во время высадки пруток упирается в задний упор. Поковка отделяется от прутка loiii.Ko на последнем переходе в специальном отрезном ручье. Возможна и штамповка из трубы.
ГКМ с горизонтальным разъемом полностью автоматизированы и штампуют поковки из штучных заготовок.
Штамповка на ГША является самым производительным видом технологии: от 70 до 180 шт./мин. Меньшее значение относится к поковкам массой до 5 кг, большее — к поковкам массой до 0,9 кг.
Все операции, начиная от разделения проката на мерные за-юговки и кончая пробивкой перемычки, выполняются непосредственно автоматом. Для разделения на заготовки прутки на-фснаютдо ковочной температуры в индукторе ТВЧ, встроенном и автомат, отрезают мерную заготовку и подают ее на 1-ю позицию штамповки. Технологический процесс включает от 3 до 4 операций собственно горячей штамповки. Во время штамповки рабочие вставки формообразующего инструмента постоянно охлаждаются большим количеством воды (расход до 80 м3/ч). Бла-юдаря большой скорости штамповки и потокам воды, охлаждающей не только штамповочный инструмент, но и подающие |юлики, соприкасающиеся с нагретым металлом, стойкость штампов выше, чем при штамповке на КГШП. Кроме того, на поковках практически нет грубой окалины, они имеют чистую поверхность.
Штамповка на автоматах осуществляется в закрытых штампах, без горизонтального разъема, характерного для штампов на КГШП, поэтому у них нет облоя и отсутствует операция его обрезки. На автоматных поковках нет также и штамповочных ук-
77
Рис. 3.9. Технологические переходы штамповки шестерни на ГША
лонов. В связи с этим .штамповка на автоматах обеспечивает более высокий КИМ, чем на КГШП (на 10—20 %).
Типичные технологические переходы изготовления поковки цилиндрической шестерни на автомате показаны на рис. 3.9. Шестерня формируется за 4 перехода. Сначала выполняют две осадки для приближения габаритов в плане к габариту будущей поковки и обеспечения устойчивости, затем следуют штамповка и пробивка.
Специализированные методы штамповки. В технологии горячей штамповки применяется ряд технологических процессов, которые принято относить к специальным. Это электровысадка и различные способы прокатки, которые чаще всего используются как вспомогательные, разгружая основное кузнечно-прессовое оборудование от предварительных операций.
Электровысадка — метод штамповки, используемый для изготовления узкой номенклатуры деталей типа стержней с головками. Ее отличительная особенность — совмещение электронагрева методом сопротивления и высадки нагретого участка заготовки. Схема процесса показана на рис. 3.10.
Исходная штучная заготовка 3 подается в электровысадоч-ную машину через радиальный электрод 2 до упора в электрод-наковальню 1. Часть заготовки, подлежащая высадке и расположенная между двумя электродами, подключенными к системе электронагрева1 4, разогревается до температуры штамповки. Одновременно на холодную часть заготовки воздействует осевое усилие, вследствие чего нагретая часть деформируется, образуя утолщение. Во время высадки электрод-наковальня пе-
1К вторичной обмотке понижающего трансформатора переменного тока промышленной частоты.
78
рсмещается с определенной скоростью, благодаря чему утолщение, образуемое на конце заготовки, увеличиваете^.
Благодаря простоте и низкой стоимости технологической оснастки, относительной экологичности и возможности полной пнюматизации процесса себестоимость электровысадки поковок по сравнению с изготовлением их на ГКМ на 15 % ниже.
Электровысадку можно эффективно использовать при горячей штамповке клапанов. Ею заменяют предварительное выдав-нивание. Окончательную штамповку выполняют на КГШП, усыновленном в непосредственной близости от элекгровысадоч-пой машины.
Вальцовку используют главным образом для предварительного перераспределения металла вдоль оси заготовки при штамповке деталей удлиненной формы. Вальцовка представляет собой продольную прокатку. Деформирование нагретой за-нгговки происходит во вращающихся валках с выполненными на них ручьями, соответствующими формируемому продольному сечению. Полученный в результате вальцовки полуфабрикат поступает на КГШП, где его окончательно штампуют.
Принципиальная схема вальцовки показана на рис. 3.11. В зависимости от сложности поковки вальцовку осуществляют в I -2 прохода, для чего на валках выполняют соответствующее количество ручьев. Вальцовкой не только перераспределяют металл вдоль оси, но и придают различным участкам заготовки необходимые поперечные сечения. Благодаря этому при штам-
79
Рис. 3.11. Принципиальная схема вальцовки:
1 — валки; 2 — заготовка; 3 — клеши
повке вальцованных заготовок обеспечивается экономия от 5 до 20 % металла по сравнению со штамповкой только на КГШП или молоте. Из вальцованных заготовок в виде стержня с двумя головками обычно штампуют поковки шатунов.
Поперечно-клиновая прокатка — способ деформирования, при котором, как и при вальцовке, предварительно перераспределяют металл вдоль оси заготовки с помощью инструмента, зеркально отображающего будущий профиль в виде клиньев, вытянутых вдоль плоских плашек или нанесенных на цилиндрические валки. Клинья имеют наклонные боковые поверхности, вследствие чего при перемещении подвижной плашки или вращении валков клинья постепенно врезаются в материал заготовки, утоняют ее, растягивают в обе стороны вдоль оси. Части металла, находящиеся между клиньями, остаются недеформиро-ванными. В результате полуфабрикат приобре-
ZTTI/'TV тает вытянутую форму с несколькими утолще-ниями. Такие заготовки применяются для ™повки шатунов и коленчатых валов.
Основная схема поперечно-клиновой про-катки показана на рис. 3.12.
Рис з 12 Схема Поперечно -винтовая прокатка служит для
поперёчно-кли- придания заготовке, периодического профиля новой прокатки (рис. 3.13).
80
Рис. 3.13. Схема поперечно-винтовой прокатки периодического профиля:
/ палки; 2 — заготовка; 3 — копир; 4 — следящее устройство гидросистемы; 5 — тянущий гидравлический цилиндр; 6 — свободно вращающийся зажим
Форма придается тремя периодически сходящимися и расходящимися валками, при этом заготовка и валки вращаются в пипу и ту же сторону. Такого рода заготовки применяют для штамповки коленчатых валов.
3.2.2. Холодная объемная штамповка
Холодная объемная штамповка (ХОШ) заключается в получении деталей пластическим деформированием при комнатной 1емпературе. ХОШ изготавливают детали как из мягких цветных металлов и сплавов, так и из конструкционных сталей — углеродистых, низко- и среднелегированных. Для сталей существует специальный стандарт, регламентирующий марки и технические щебования к сталям для холодной высадки и выдавливания.
ХОШ используют в основном для полной или частичной замены обработки резанием. Ее основное достоинство — чрезвычайно экономное использование металла. В грамотно построенных технологических процессах коэффициент использования металла (КИМ) не опускается ниже 0,85—0,95. Величина КИМ существенно зависит от умения технолога пользоваться всем,арсеналом имеющихся в его распоряжении средств.
Характерным эффектом, сопровождающим холодное деформирование любых металлов, является их упрочнение в процессе штамповки, т. е. постоянное нарастание сопротивления дефор
I. 5935
81
мированию. В ряде случаев при изготовлении неответственных деталей такой эффект позволяет отказаться от последующей термической обработки. В остальных случаях деформационное упрочнение ликвидируют с помощью предварительных, а иногда и промежуточных отжигов исходного металла, штучных заготовок или полуфабрикатов между операциями штамповки.
Наиболее распространенными деталями автомобильных двигателей, которые изготавливаются с помощью ХОШ, являются: поршневые пальцы, корпусами наконечники толкателей клапанов, тарелки и втулки пружин клапанов, муфты шлангов высокого давления, корпуса и сердечники свечей зажигания, шестерни стартеров, обоймы приводов стартеров, валы генераторов, корпуса масляных фильтров и т. п. Эти детали изготавливают из различных материалов: от углеродистых сталей марок 10, 20, 35 до легированных 12ХН, 12ХН2, 15ХФ.
Поскольку ХОШ осуществляется без нагрева1, точность и качество поверхности штамповок получаются достаточно высокими и во многих случаях не требуют последующей обработки резанием.
Из опыта применения ХОШ в автомобильной промышленности известно, что на каждую 1000 т изготовленных с ее помощью деталей обеспечивается экономия 700—800 т металлопроката, сокращение расхода электроэнергии на 120 тыс. кВт/ч, высвобождение 10 многошпиндельных токарных автоматов.
Наибольший эффект применение ХОШ дает при изготовлении деталей ступенчатой формы с заметным перепадом между ступенями, деталей с фасонными полостями и т. п., так как при изготовлении их резанием чрезвычайно велики отходы металла в стружку.
ХОШ является в основном технологией крупносерийного и массового производства, так как только в этом случае удается достаточно быстро окупить расходы на ее организацию. Однако при умелом использовании прессового оборудования и соответствующей конструкции штампа можно успешно изготавливать детали и в меньших количествах. Существует определенная зависимость между величиной партии изготавливаемых деталей и массой детали: чем тяжелее деталь, тем меньше может быть программа выпуска. Размеры партий деталей колеблются в диапазоне от 50—100 тыс. шт. до нескольких миллионов в год.
Существенное достоинство ХОШ — возможность изготавливать сборные или сварные конструкции цельными. Наиболее
1 На штамповках нет окалины, не нужны штамповочные уклоны и т. п.
82
Инг. 3.14. Замена сварной конструкции стального корпуса масляного фильтра
(а) на цельную (б), полученную ХОШ
чпрактерным примером является изготовление корпуса масляно-к> фильтра (рис. 3.14) и обоймы привода стартера (рис. 3.15).
Формообразование осуществляют в штампах, рабочими дета-мнми которых являются пуансоны и матрицы, изготовленные из П1.К окопрочных инструментальных сталей Р18, Р6М5, Х12М и т. п., шкаливаемых на предельную прочность. Применяют также пи рдые сплавы.
В принципе формирование детали с помощью ХОШ осуще-11Ш1ЯЮТ двумя методами: уменьшением или увеличением поперечного сечения исходной заготовки. Однако существует много способов их практической реализации (рис. 3.16—3.21).
Прежде всего — это операции выдавливания. Выдавливанием осуществляют уменьшение поперечного сечения заготовки. Рпзличают прямое (см. рис. 3.16) и обратное (см. рис. 3.17) вы-
I'iii . 3.15. Составная (а) и цельная (6) конструкции обоймы привода стартера, полученные ХОШ
83
। Пуансон
Матрица
Деталь
Рис. 3.16. Схемы прямого выдавливания
а — открытое, б — закрытое, в — прямое с отверстием, г — прямое для детали типа стакана
Заготовка
давливания. В первом случае пластическое течение металла совпадает с движением пуансона, во втором — эти движения противоположны.
Существуют два варианта исполнения прямого выдавливания: открытое, которое принято называть редуцированием (см. рис. 3.16, а}, и закрытое (см. рис. 3.16, б). Редуцирование осуществляют при степени деформации не более 30 % в матрице с углом входного конуса не более 30°. Благодаря этому удается обойтись без глубокой матрицы, характерной для закрытого выдавливания. Большие деформации получают при закрытом выдавливании, когда заготовку помещают в матрицу полностью. Здесь в зависимости от марки стали можно достичь степени деформации до 70—80 % (для сталей типа Ст08, 10) и сформировать ступень весьма малого диаметра по отношению к исходной заготовке.
Рис. 3.17. Схема обратного выдавливания
Рис. 3.18. Схема вытяжки с утонением стенки
84
Рис. 3.19. Схемы осадки
а —открытая, б—закрытая осадка-калибровка
Выдавливание использует схему всестороннего неравномерною сжатия, вследствие которого помещенная в матрицу мерина заготовка вытесняется движущимся пуансоном в отверстие в мюрице (см. рис. 3.16) или в зазор между пуансоном и матрицей (гм рис. 3.17), т. е. в сторону с наименьшим сопротивлением лсформированию.
Как видно из рис. 3.16, г, прямым выдавливанием изготавли-1Ш1О1 сплошные и полые детали, причем поперечное сечение i вылавливаемой части может иметь достаточно сложный некруг-||ып профиль, например многогранный или даже зубчатый (шеегерни стартера).
Обратным выдавливанием (см. рис. 3.17) получают детали ниш стаканов. И в этом случае поперечное сечение формируе-мои полости может быть отличным по форме от круга. Эта операция позволяет изготавливать детали с полостями не только крутого, но и более сложного поперечного сечения (квадратные, прямоугольные, многогранные, крестообразные и т. п. попои и). Преимущество реализуемой в процессе выдавливания । \емы неравномерного всестороннего сжатия — значительное повышение пластичности обрабатываемых материалов. Благодари лому можно получать сложные формы даже из сталей со сравнительно невысокими относительными сужением и удлинением Однако это вызывает высокие удельные нагрузки на инст
Рис. 3.21. Схема комбинированного выдавливания
Матрица Пуансон
Заготовка
Деталь
85
румент, достигающие иногда 2500—3000 МПа. Необходимую стойкость его обеспечивают комплексом средств, включая выбор инструментальных материалов, различные методы его упрочнения и др
Позаимствованную у листовой штамповки операцию вытяжки с утонением стенки (см. рис. 3 18) применяют тогда, когда обратным выдавливанием не удается получить стакан с необходимой глубиной полости и толщиной стенки. В этом случае сначала получают более короткий и толстостенный стакан соответственно предельным возможностям обратного выдавливания, а затем доводят его до необходимых размеров проталкиванием через одну или несколько матриц, воздействуя пуансоном на дно полуфабриката
К способам, увеличивающим поперечное сечение заготовки, относят осадку и высадку. Осадка может быть открытой (см рис. 3 19, а) или закрытой (см. рис. 3.19, б). Открытая осадка осуществляется сжатием цилиндрической мерной заготовки между плоскими параллельными плитами. Критериями, ограничивающими этот способ, являются устойчивость осаживаемой заготовки (высота не более 1,5 диаметра заготовки) и допускаемое предельное увеличение диаметра заготовки (не более двух диаметров исходной заготовки).
Закрытая осадка выполняется деформированием заготовки в матрице между подвижным и неподвижным пуансонами.
Высадка — это открытая или закрытая осадка части заготовки (см рис 3.20). Основной критерий высадки — предельная относительная длина высаживаемой части заготовки (у = \/d) При у < 2,25 высадка может быть осуществлена за 1 переход, при 2,25 < у < 3,5 — за 2 перехода, при 3,5 < у < 6 — за 3 перехода. При запредельном значении у применим другой метод изготовления данной детали, например, прямое выдавливание.
Осадку применяют обычно для придания отрезанной тем или иным способом мерной заготовке устойчивой или удобной для загрузки в штамп и дальнейшего деформирования формы
Высадку используют для изготовления деталей типа стержней с концевыми головками или промежуточными утолщениями, а также для получения Т-образных фасонных заготовок.
Наибольший эффект достигается, однако, при комбинировании операций выдавливания (см. рис. 3.21). Этот прием от-86
ЛИЧПСТСя появлением у пластически деформируемого .металла исполнительных степеней свободы (одной или бол^е). Так, инмбинированием операций прямого и обратного вь(давлива-пиП можно получать детали в виде стакана, со стержнем, с ипумя оппозитными глухими полостями, с двойными стенками II I п
Как было сказано выше, процесс ХОШ сопровождается уп-I"' ।пением штампуемого материала Благодаря упрочнению пре-। । юкучести материала увеличивается в 2—4 раза, предел проч-। hi и твердость — в 1,5—2 раза, относительное удлинение и 11 пие уменьшаются в 2—4 раза.
Важные преимущества деталей, получаемых ХОШ, — доста-iit’iiio высокая точность диаметральных размеров и малая шеро-м ib.ii ость поверхности Диаметральные размеры штампуемых в мнодном состоянии деталей выдерживаются обычно в пределах V 11-ю квалитетов по СТ СЭВ 144-75 и СТ СЭВ 145-75, что примерно соответствует 7—10-му классам по ISO Некоторые И11Ч|епия о точности основных типов деталей, получаемых МИН, приведены в табл 3.1.
)ллипсность внутреннего или наружного диаметра обычно > " । шляет 0,2—0,6 % от номинала.
Качество поверхности штампованных в холодном состоянии ....ей зависит от способа деформирования и поэтому неодина-। оно па разных участках детали. Наименьшая шероховатость, дос-lin.пощая по Ra = 1,6 мкм, имеет место в процессах выдавливания, I с им, где металл наиболее интенсивно течет вдоль стенок матрицы или вдоль пуансона для обратного выдавливания. При вы-• 11ке шероховатость поверхности выше (не менее Ra — 3,2 мкм)
I । ь л и ц а 3 1 Зависимость точности деталей, получаемых холодной объемной мА. штамповкой, от степени деформации
1 1 Лес точности поли допуска пл износ и in (румента Степень деформации (относи 1елыюе уменьшение площади поперечного сечения заготовки после выдавливания) Суммарное изменение размера выдавленного стержня 020—70 мм [мм] Суммарное изменение размера отверстия у выдавленных стаканов 020—70 мм [мм] Суммарное изменение наружного размера выдавленных стаканов 020—70 мм [мм]
Квалитет 9 0,4 0,09-0,26 0,11-0,28 0,21-0,61
0,7 0,09-0,24 0,11-0,28 0,18-0,53
Ц§дитет 11 0,4 0,18-0,40 0,20-0,42 0,33-0,77
07 0,18-0,38 0,20-0,42 0,27-0,68
87
1
Проектируя детали для ХОШ, необходимо учитывать особенности течения металла при холодном пластическом деформировании. Это прежде всего относится к рациональному оформлению переходов между различными ступенями у деталей типа стержней и перехода от внутренней поверхности к дну у деталей типа стаканов (рис. 3.22). Оптимальным представляется включение в конструкцию детали технологических переходных участков при-различных схемах выдавливания (см. рис. 3.22, а).
Если на деталях все же требуются резкие переходы, то они должны быть скруглены радиусами (см. рис. 3.22, б).
При необходимости получения таких переходов в технологический процесс вводится операция чеканки.
Следует также избегать в конструкции деталей нетехнологичных для ХОШ элементов, к которым относятся: глубокие отверстия малого диаметра, поднутрения в виде обратных конусов и канавок, мелких буртов и т. п. Эти элементы лучше получать при последующей обработке резанием.
В технологический процесс ХОШ входят:
J отрезка мерных заготовок (обычно — резкой сдвигом в штампе);
J закрытая осадка заготовок для выравнивания торцов после резки;
Sотжиг заготовок для снижения сопротивления деформированию и повышения пластичности;
<р<0,3 0,3<<р<0,5 ср>0»5
б
Рис. 3.22. Примеры оформления переходных участков при конструировании деталей, изготавливаемых ХОЩ
88
J фосфатирование и омыливание заготовок для создания по-*р|.ния, которое исключало бы сварку заготовки и инструмента поп псйствием высокого давления и снижало бы трение пласти-11ч к и текущего металла о рабочие поверхности этого инструмент (при изготовлении сложных по форме деталей из трудно-'И’формируемых материалов применяют промежуточные отжиги н 11 и >сфатирование);
штамповка за один и более переходов в зависимости от к пости детали.
< )борудование для штамповки — это одно- и многопозицион-П1.Н- вертикальные и горизонтальные кривошипные и кривошип-Ц|> коленные прессы, использующие мерные заготовки и материки в виде проволоки, свернутой в бунты. В последнем случае шымповка осуществляется на горизонтальных автоматах. Отжиг н фосфатирование металла при этом производят непосредственно и ьуптах, а металл должен быть калиброванным. Это наиболее протводительный способ штамповки. В зависимости от размера и массы детали производительность может колебаться от 20 до 100 шт./мин. На вертикальных прессах производительность ниже и не превышает 30 шт./мин, однако размеры и массы штампуемых деталей здесь заметно больше и могут достигать 5—10 кг.
Штампы для ХОШ в зависимости от сложности детали, ко-пнчесгва переходов штамповки и типа применяемого пресса мо-। \ । быть одно- и многопозиционными. В качестве классическо-к> примера одного из сложных технологических процессов \()Ш могут служить переходы штамповки одной из самых мастных и ответственных деталей — корпуса толкателя клапана пи >ельного двигателя автомобиля КамАЗ. На рис. 3.23 показаны •1гр1ежи готового толкателя («) и штампованного толкателя с припусками под последующую обработку резанием (б), а на рис. 1 .’4 — переходы штамповки толкателя клапана.
Технология рассчитана на программу около 4 млн шт. в год.
Сложность формы (глубокая полость с тонкими стенками и сферическим дном, фланец со стороны дна) и высокие требования к точности размеров сочетаются с довольно прочным материалом — сталью 35.
Как видно из рис. 3.24, изготовление корпуса толкателя кла-...а начинается с отрезки и закрытой осадки-калибровки мерной заготовки 1 и 2. Далее следуют отжиг заготовок в печи с за-Ш1ННОЙ атмосферой и фосфатирование на специальной полуав-юматической линии.
89
Рис. 3.23. Чертежи обработанного (а) и штампованного (б) толкателя клапана (материал — сталь 35)
Операции 3 (выдавливание предварительного углубления) и 4 (выдавливание толстостенного стакана) на рис. 3.24 выполняются на кривошипно-коленных вертикальных прессах для холодного выдавливания, оснащенных системами автоматической подачи. После дефосфатирования1 промежуточного отжига и нового фосфатирования толстостенный стакан-полуфабрикат доводится до необходимых размеров вытяжкой с утонением 5 на аналогичном прессе. На заключительной операции 6, также на кривошипно-коленном прессе, осуществляется комбинированный процесс одновременной высадки фланца с углублением под наплавку чугуна, выдавливания сферы и удлинения полой части.
Последующая обработка состоит в сверлении поперечных отверстий в зоне сферы, подрезке торца, протачивании канавки под фланцем для выхода шлифовального круга и растачивании верхнего углубления под наплавку чугуна в окончательный размер. КИМ составляет около 0,9.
Примером максимального использования металла и высокой производительности является ХОШ детали типа штуцера на горизонтальном многопозиционном автомате фирмы «National Machinery» (США), показанная на рис. 3.25. Для штамповки здесь используют калиброванную бунтовую проволоку из стали
1 Детосфатирование — это уничтожение фосфатного слоя перед отжигом в печах с защитной атмосферой во избежание засорения последней продуктами сгорания фосфатов.
90
I
I отрезка мерной заготовки; 2 — закрытая осадка-калибровка заготовки с выдавливанием дублений для центровки пуансона обратного выдавливания; 3— обратное выдавливание •предельно возможного» стакана; 4 — вытяжка с утонением стенки до необходимого разме-|Ш. 5 — комбинированный процесс высадки фланца со стороны дна и образования внутренней сферы; 6— высадка фланца
с низким содержанием углерода. Заготовку отрезают сдвигом 1 с помощью ножа, перемещающегося в направлении снизу вверх, н подают на линию штамповки к захватам механизма переноса. Чатем производят прямое выдавливание ступени 2. На позицию 3 обратным выдавливанием формируют одновременно большую полость. Далее в позиции 4 выдавливают прямым способом малую полость, а на 5 высаживают промежуточный фланец. При •ном в ходе переноса полуфабриката на позицию высадки фланца его поворачивают на 180°. Последняя позиция автомата слу-
Гпс. 3.25. Переходы штамповки детали типа штуцера на многопозиционном автомате:
/ отрезка мерной заготовки; 2—прямое выдавливание; 3 — обратное выдавливание;
/ прямое выдавливание контрполости; 5 — высадка фланца; 6 — пробивка перемычки между полостями
91
жит для пробивки перемычки между полостями, после чего деталь выталкивается в лоток и тару в позицию 6.
Производительность такого процесса не менее 100 шт./мин, КИМ приближается к 0,95.
3.2.3. Полугорячая объемная штамповка
Полугорячую объемную штамповку (ПГШ) осуществляют в диапазоне температур от 760 до 800 °C. Благодаря нагреву сопротивление деформации и удельные усилия, необходимые для ее осуществления, снижаются на 40 %. Кроме того, увеличиваются предельно допустимые деформации. Эти обстоятельства существенно расширяют диапазон штампуемых материалов. Наряду с конструкционными углеродистыми сталями ПГШ можно штамповать практически весь спектр легированных сталей, шарикоподшипниковые, некоторые инструментальные и нержавеющие стали.
При нагреве в вышеприведенном строго ограниченном интервале температур окалина на заготовках практически не образуется, поверхность штампованных деталей достаточно чистая, точность диаметральных размеров близка к точности при ХОШ. При ПГШ используют те же формообразующие операции, что и при ХОШ, но в ряде случаев количество этих операций может быть меньше.
Для осуществления ПГШ применяют то же оборудование, что и для ХОШ, но преимущественно вертикальные кривошипные прессы. Конструкции штампов и материалы для изготовления их рабочего инструмента аналогичны. Это быстрорежущие стали и твердые сплавы.
Таким образом, ПГШ является эффективной альтернативой ХОШ при необходимости получения деталей из труднодефор-мируемых материалов, при повышенных деформациях и т. п.
Опыт применения ПГШ в автомобильной промышленности показывает, что с ее помощью изготавливают такие детали, как поршневые пальцы (из стали 12ХНЗА, плохо подвергающейся фосфатированию), корпуса форсунок и втулки плунжера топливного насоса (из стали ШХ15), толкатели клапанов (из стали 45Х).
Типичный технологический процесс ПГШ :
J отрезка заготовок;
J галтовка заготовок;
J нанесение технологической смазки;
нагрев заготовок;
J штамповка в 1—2 перехода.
92
Нагрев обычно индукционный в кузнечном индукционном ширевателе. В качестве смазки применяют коллоидальный гра-|нп, смазки в виде графитомеловой водной эмульсии и редко мн »ки на основе дисульфида молибдена ввиду ее дороговизны.
/
1,2.4. Сферодвижная штамповка
( yib этого способа деформирования заключается в воздейст-П11П на торец заготовки инструментом, совершающим круговые мгиющиеся движения. Одновременно производится осевая подача шиповки снизу вверх. В результате очаг пластической деформации существенно уменьшается, что позволяет в 3—7 раз снизить inti рсбное усилие штамповки. Принципиальная схема сферодвиж-|м >li штамповки и конструкция штамповочного инструмента покатим на рис. 3.26. Основная операция, наиболее эффективно осушен вляемая при таком способе штамповки, — это торцевая рас-Мика буртов и фланцев. Возможно также выдавливание неглубоки к полостей. Траектория движения качающегося инструмента может изменяться от круга до многолепестковой фигуры и качания в одной плоскости с боку на бок в зависимости от формы шымпуемой детали. Так, например, качание с боку на бок позвонче i получать детали с прямоугольными в плане головками.
11оменклатура штампуемых форм ограничена невысокими денными в виде колец с буртами и фланцами, торцовыми зубьями и ( и С наибольшим успехом штампуют этим способом кольца ишхронизаторов коробки передач из стали и латуни для двигателей Объем обработки резанием штампованных колец минимален.
1'нс. 3.26. Схема сферодвижной штамповки (а) и конструкция штамповочного инирумента (б)' 7—качающаяся головка, 2— верхняя часть штампа; 3 — де-|п и., 4 — предохранительная пластина, 5 — нижняя часть штампа; 6 — выталкиватель; 7 — поршень выталкивателя, 8 — шток
I
93
Сферодвижная штамповка в основном выполняется,без нагрева заготовок, поэтому подготовка последних к штамповке здесь аналогична ХОШ.
3.3. Термическая обработка заготовок
После изготовления отливки и поковки характеризуются неравномерностью распределения микроструктурных составляющих и фаз, повышенной твердостью, наличием остаточных внутренних напряжений, которые возникают вследствие неравномерного охлаждения и структурных и фазовых превращений. Это в значительной степени осложняет последующую механическую обработку заготовок резанием и давлением, а также способствует деформации готовых деталей, так как при удалении припуска равновесие напряженного состояния заготовки нарушается и она начинает деформироваться до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия, причем чем больше припуски, тем больше деформация детали. Поэтому для устранения дефектов микроструктуры, снижения уровня остаточных внутренних напряжений, уменьшения твердости, улучшения обрабатываемости и повышения механических свойств отливки и поковки подвергаются различным видам термической обработки: отжигу, улучшению, нормализации, нормализации с высоким отпуском. В последние годы для этой цели, а также для снижения деформаций деталей после окончательной термической или химико-термической обработки используют изотермический отжиг поковок. На современных автомобильных заводах наблюдается следующее соотношение основных видов предварительной i термической обработки: нормализация 30—35 %, нормализация с высоким отпуском 3—5 %, улучшение 25—28 %, изотермический отжиг до 30 % (табл. 3.2).
Среди многих факторов (новые режущие инструменты, смазочные и охлаждающие жидкости, режимы резания) микроструктура обрабатываемых заготовок является основным фактором, влияющим на обрабатываемость, которая оценивается разными характеристиками: силой и скоростью резания, видом стружки, чистотой поверхности и др. При этом для различных операций резания (точения, протягивания, сверления, расточки и др.) и разных скоростей резания оптимальной является разная структура.
94
Вид обработки Параметры процесса Назначение обработки
Температура, °C Скорость нагрева, “С/ч Длительность выдержки, ч Охлаждение, °С/ч
Отжиг низкотемпературный (искусственное старение) 500—600, легированный чугун до 630 70-100 2—8 в зависимости от массы и конфигурации отливок Медленное, с печью, 20—50 до 250 °C Снятие внутренних напряжений, повышение вязкости, стабилизация размеров детали, снижение деформации
Отжиг низкотемпературный 680-750 Для отливок сложной формы, медленно до 550 1—4 в зависимости от требуемой микроструктуры Для отливок сложной формы, медленное до 250 °C Обеспечение равномерности микроструктуры, снижение твердости, улучшение обрабатываемости
Отжиг высокотемпературный 850-900 Тоже 0,5-5 С печью, остановки при Ас! Улучшение микроструктуры (полный распад свободного цементита), снижение твердости, улучшение обрабатываемости
Нормализация 850-900 0,5-3 На воздухе Увеличение углерода в матрице (связанного), повышение твердости, прочности, износостойкости
В свою очередь, на обрабатываемость резанием влияет качество самой микроструктуры, ее составляющих и равномерности: их распределения по объему детали. Качество микроструктуры определяется технологическими режимами термической обработки (температура нагрева, скорость охлаждения) и характером обработки (поштучная, групповая, однотипные, разные по форме и массе детали и т. п.).
Оптимальная обрабатываемость резанием для различных сталей обеспечивается разными режимами термической обработки. Например, для поковок из сталей 10, 20, 15Х — после ускоренного охлаждения до 950—970 °C, из сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 25ХГНМТ — после изотермического отжига, из сталей 12ХНЗА, 20Х2Н4А — после нормализации с последующим отпуском при 640 — 680 °C, из сталей 40, 45, 40Х, 40ХН — после нормализации при 880—900 °C.
Вопросы для самопроверки
1 Каковы основные методы изготовления отливок?
2 Каковы основные методы изготовления поковок9
3 Каковы основные методы термической обработки заготовок?
Глава 4
Основы проектирования технологических процессов изготовления деталей
4.1. Выбор баз при механической обработке
При проектировании технологических процессов механиче-i Кой обработки деталей и сборки изделий для обеспечения занятой точности, необходимых производительности и экономичности большое значение имеет правильный выбор баз.
11од базированием понимают придание детали или изделию тре-п\гмого положения относительно выбранной системы координат.
базой называют поверхность или выполняющие ту же функцию сочетания поверхностей, ось, точку, принадлежащие детали пин изделию и используемые для базирования.
Любое твердое тело имеет в пространстве шесть степеней । |ю(>оды: три поступательных и три вращательных относительно ||и \ взаимно перпендикулярных осей координат. Для обеспечении неподвижности детали, рассматриваемой как абсолютно пи рдое тело, в выбранной системе координат необходимо и ..... точно наложения на нее шести двусторонних геометриче- 114 связей. Чтобы деталь обрела определенное число степеней иоьоды, соответствующее число связей снимается.
I (аложение шести связей, ограничивающих движение детали ...сети направлениях, может быть осуществлено шестью не-н шижными опорами, расположенными в трех перпендикуляр-III 14 плоскостях.
Опорной точкой называют точку, символизирующую одну из । ни юн детали или изделия с избранной системой координат, кпждая опорная точка лишает деталь одной степени свободы. 1’п< пределение опорных точек по поверхностям детали зависит ' и । е формы.
На рис. 4.1, а показана ориентация призматической детали июсительно трех координатных плоскостей. Наличие трех • •пирных точек 1—3 определяет положение детали относительно ...скости xOz и ограничивает три ее степени свободы переме-
щения вдоль оси у и вращения вокруг осей, параллельных осям х и z. Две опорные точки 4 и 5 определяют положение детали относительно плоскости yOz и лишают ее возможности перемещения вдоль оси х и вращения вокруг оси, параллельной оси у, т. е. лишают деталь еще двух степеней свободы. И, наконец, опорная точка 6 исключает перемещение детали вдоль оси z, определяя положение детали относительно плоскости хОу. Следовательно, при выполнении условия неотрывности призматическая деталь лишается всех степеней свободы, и положение ее баз (/, II, ПГ) в пространстве является вполне определенным.
Несколько иначе шесть опорных точек распределены по поверхности у цилиндрических деталей (см. рис. 4.1, б). Опорные точки 7—5 на цилиндрической поверхности валика определяют его положение относительно двух координатных плоскостей xOz и yOz и ограничивают четыре степени свободы — вращения вокруг осей, параллельных осям х и у, и перемещения вдоль этих же осей. Опорная точка 6, фиксирующая торцовую поверхность валика относительно координатной плоскости хОу, лишает валик пятой степени свободы — перемещения вдоль оси z- Ограничение возможности вращения валика вокруг собственной оси, параллельной оси z, производится опорной точкой 2.
98
Для базирования цилиндрических деталей, длина которых по ж ношению к диаметру меньше единицы, опорные точки 1—3 in несообразно расположить на одной из торцовых поверхностей ( м рис. 4.1, в) относительно плоскости хОу, при этом деталь не может перемещаться вдоль оси z и вращаться вокруг осей, пари и цельных осям хну. Две опорные точки 4 и 5 определяют понижение детали относительно плоскостей соответственно xOz и i'( А- и ограничивают ее перемещения вдоль осей у и х. Вращение нс или вокруг своей оси, параллельной оси z, можно предупре/ ннн» опорной точкой б, фиксирующей одну из поверхностей шпоночного паза относительно, например, координатной плос-нччи xOz. При этом деталь теряет последнюю шестую степень । победы и, таким образом, окончательно определяется ее положение в пространстве.
По лишаемым степеням свободы при базировании в избранной системе координат базы классифицируют на установочные, направляющие и опорные.
Под установочной базой понимают базу, лишающую деталь пни изделие трех степеней свободы — перемещения вдоль одной координатной оси и поворотов вокруг двух других осей.
Направляющая база — база, лишающая деталь или изделие iiBvx степеней свободы — перемещения вдоль одной координат-non оси и поворота вокруг другой оси. База, лишающая деталь пин изделие четырех степеней свободы — перемещений вдоль и пух координатных осей и поворотов вокруг этих осей, является двойной направляющей базой.
Под опорной базой понимают базу, лишающую деталь или из-нслие одной степени свободы — перемещения вдоль одной координатной оси или поворота вокруг оси. База, лишающая де-ын1> или изделие двух степеней свободы — перемещений вдоль и пух координатных осей, называется двойной опорной базой.
Для обеспечения неизменного положения детали при базировании в процессе обработки необходимо произвести ее закре-пнение. Под закреплением понимают приложение сил и пар сил к детали или изделию для обеспечения постоянства их положения, достигнутого при базировании. Процесс базирования и закрепления детали или изделия называется установкой.
Процессы базирования являются общими для всех стадий спадания изделия: конструирования, изготовления, сборки, а |пкже при испытаниях изделия. В связи с этим по назначению базы классифицируют на конструкторские, технологические и и мерительные.
'* 99
V
Конструкторская база — база, используемая для определения] положения детали или сборочной единицы в изделии. |
В свою очередь, конструкторская база по назначению под-1 разделяется на основную и вспомогательную.
Основная база — конструкторская база, принадлежащая данной детали или сборочной единице и используемая для опреде-j ления ее положения в изделии.
Вспомогательная база — конструкторская база, принадлежащая данной детали или сборочной единице и используемая для определения положения присоединяемого к ним изделия. Конструкторские базы могут представлять собой воображаемые линии, оси или точки.
Технологическая база — база, используемая для определения положения заготовки или изделия в процессе изготовления или ремонта. Технологическими базами в основном являются реальные поверхности. Например, при зубофрезеровании и шевинговании цилиндрических зубчатых колес за технологические базы принимают центральное отверстие и торцы зубчатого венца.
Измерительной базой является база, используемая для определения относительного положения детали или изделия и средств измерения.
По характеру проявления базы также могут подразделяться на скрытые и явные. Скрытая база представляет собой базу детали или изделия в виде воображаемой плоскости, оси или точки, явная — базу детали или изделия в виде реальной поверхности, разметочной риски или точки пересечения рисок.
Для достижения требуемой точности обработки детали необходимо придерживаться принципов совмещения и постоянства баз.
Принцип совмещения баз заключается в том, что в качестве технологической базы выбирают поверхность, являющуюся измерительной базой. При несоблюдении этого принципа точность обработки снижается и появляется специфическая погрешность, называемая погрешностью базирования. Лучшие результаты достигаются при возможном совмещении технологической, измерительной и конструкторской баз.
Принцип постоянства баз используется в случае, если за технологические базы на всех операциях технологического процесса принимаются одни и те же поверхности. Каждая смена баз всегда сопровождается появлением добавочных погрешностей базирования. Когда поверхности детали нельзя обработать при одной установке, за новую технологическую базу выбирают более точно обработанные поверхности, юо '
< 'облюдение принципов совмещения и постоянства баз не-•щодимо не только при разработке технологического процесса, hi и на стадии проектирования детали для получения наиболь-iii’li ючности обработки.
Правильный выбор технологических баз имеет особенно юпыиое значение на первой операции разрабатываемого техно-ни плоского процесса, так как они влияют на точность обраба->|.|н,1емой детали. При выборе технологической базы учитывает-•I назначение детали согласно сборочному и рабочему черте-iiiM, а также техническим условиям изготовления. На первой нк-рации технологического процесса за установочную базу принимают необработанные поверхности, которые на дальнейших пн-рациях заменяют обработанными. Поэтому на первой операции рекомендуется обрабатывать те поверхности заготовки, ко-трыс в дальнейшем будут приниматься за базовые.
Для повышения точности установки деталей за установоч-H.IC базы выбирают поверхности наибольших габаритных разме-1»>ц За базу на первых операциях желательно принимать по-рмюсть с наименьшим припуском на обработку или вообще срабатываемые поверхности детали. В случае необходимости 111 обеспечения надежного базирования допускается искусст-> иное увеличение размеров технологических баз или создание и-1 шальных технологических баз путем приливов, бобышек и т. д. »< |.|ковочная база должна обеспечивать более равномерное сня-I нс припуска в процессе обработки и наиболее точное взаимное put положение обработанных и необработанных поверхностей у ।шовых деталей.
Однако в некоторых случаях технологическими базами явля-|<|к я сами обрабатываемые поверхности. Так, например, при ноработке гладкого валика на бесцентрово-шлифовальных стан-Mix часть его поверхности, соприкасающаяся с поверхностью пекущего круга и направляющего ножа, представляет собой ппоиную направляющую технологической базы, в то время как npvtaa его часть подвергается обработке. Технологические базы ыкже следует выбирать с учетом условий обеспечения заданной жесткости установки и отсутствия деформации детали под дей-епшем сил резания и закрепления.
Выше отмечалось, что при несовпадении технологической и и 1мерительной баз появляется погрешность базирования, пред-гшиляющая собой отклонение фактически достигнутого положения заготовки при базировании от требуемого.
На рис. 4.2 приведена схема для определения погрешности ба Жирования призматической детали с пазом глубиной h при его фрезеровании фрезой диаметром d на фрезерном станке. Инстру мент относительно направляющих опорных элементов приспособ-! ления (7—5) установлен на постоянный размер В,„ а относительно установочных опорных элементов — на постоянный размер А.
Из схемы видно, что независимо от колебаний размера С] различных деталей одной партии размер Вд = Вк каждой обрабо-! тайной детали остается постоянным. В этом случае технологическая направляющая II и измерительная база совпадают. Погрешность базирования гВд при выполнении размера Вд равна нулю, так как отсчет производится от измерительной базы. При выполнении размера h измерительная и установочная I базы не совпадают. Погрешность базирования возникает при изменении положения измерительной базы. Предельные значения смещений измерительной базы (hi и h2) относительно установленного инструмента зависят от отклонений значений размера Н в пределах установленного допуска. Разность предельных значений h\ и h2 размера h является погрешностью базирования е/г и может быть определена из следующих соотношений:
hi Ятах A, h2 Hmin А,
zh = hl — h2 = Итак - ИЛИ ЕЛ = TH, где Hmm и Итак — предельные значения размера Я; TH — допуск размера Я заготовки.
Рис. 4.2. Схема для определения погрешности базирования
102
При базировании цилиндрических деталей в жестких и пла-1шющих центрах, цанговых патронах, самоцентрирующихся при 1мах и патронах погрешность базирования при обеспечении ।пнме тральных размеров равна нулю. Погрешность базирования н шли также будет равна нулю, если ее поверхности в процессе хиработки являются направляющими базами для применяемого ши ।румента, например, при бесцентровом шлифовании наружных и внутренних поверхностей, при развертывании, протягивании и хонинговании отверстий.
Вследствие неточности выполнения и расположения базовых поверхностей деталей, неправильного приложения и нестабильное! и усилия закрепления деталей, неточности изготовления и ни юса опорных элементов приспособления появляется специфическая погрешность обработки, называемая погрешностью установки.
Погрешность установки характеризуется отклонением фак-I плески достигнутого положения детали при установке от требуемого. Погрешность установки еу определяют с учетом по-1рсшиостей базирования е, закрепления е3, изготовления и износа опорных элементов приспособления Епр. В связи с тем что /щппые погрешности являются случайными величинами, подчи-И111()|цимися закону нормального распределения, погрешность упаиовки представляет собой суммарное поле рассеяния почетностей:
Ж хМ +£з +4Г-
4.2лтрипуски на механическую обработку
Для изготовления деталей автомобильных двигателей используют следующие виды заготовок: прокат (фасонный или нистовой), поковки, отливки и комбинированные (штампо-сварные).
Выбор заготовки является сложной и ответственной задачей. Для экономии материалов и уменьшения затрат времени и средств на механическую обработку целесообразно выбирать ннотовки, которые по форме, размерам, точности и состоянию поверхностного слоя соответствовали бы параметрам готовой пегали.
юз
Основными факторами, определяющими вид заготовки, являются материал, конфигурация и габаритные размеры будущей детали. Во многих случаях материал определяет вид заготовки: если это литейный сплав, то заготовкой будет отливка; если деформируемый сплав — прокат или поковка. Большое значение при выборе заготовки имеют годовой объем выпуска изделий и тип производства.
При выборе материала конструкции учитываются механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные показатели.
Технологические свойства металлов и сплавов определяют их способность подвергаться соответствующим способам обработки (литью, ковке, сварке и резанию).
Сначала определяют технологический процесс (например, литье) и способ технологии (например, литье под давлением), который подходит для формообразования заготовки. Необходимо проверить возможность рациональной комбинации различных технологических способов получения заготовок (например, штамповки и сварки).
Из общего числа возможных заготовок выбирают тип заготовки, наиболее удовлетворяющий необходимым требованиям к свойствам будущей детали.
Общую трудоемкость 7i изготовления детали определяют комплексно:
7i= Гз + 2^, i=i
где Т3 — трудоемкость изготовления заготовки; £7^, — трудоемкость механической обработки заготовки; и — число операций механической обработки.
Принимают такой тип заготовки, при котором сумма технологических себестоимостей по заготовительному и механическому цехам минимальна.
Часто на материал детали оказывают решающее значение эксплуатационные условия. Например, материалом для выпускного клапана ДВС, подвергающегося воздействию высоких температур, является жаропрочная сталь. Так как стержень этого клапана работает в нормальных условиях, то его можно изготавливать из углеродистой стали. Заготовка головки клапана подвергается высадке из сильхрома, приваренного встык к стержню из углеродистой стали, при этом достигается экономия жаропрочной стали. 104
йгачение припуска зависит от размеров детали, вида заго-tiHihit, материала и требуемой точности изготовления детали.
Припуск — слой материала, удаляемый с поверхности заго-iibimi в целях достижения заданных свойств обрабатываемой иин-рхлости. Он представляет собой сумму операционных при-• tyi ков и равен разности размеров исходной заготовки и готовой ••.Ilin. Различают операционный и промежуточный припуски ин обработку.
Операционным припуском называют припуск, удаляемый при нЫ1и>лнении одной технологической операции. Припуск необ-MiiiitMo рассчитывать для каждого технологического перехода.
Промежуточный припуск — это припуск, удаляемый при выполнении одного технологического перехода.
Значение припуска должно быть достаточным для обеспечении гребуемых показателей точности и качества после выполнении перехода. При этом составляющими элементами припуска ипи ию гея:
Jдопуск на точность выполнения рассматриваемой поверх-in »ri и на предшествующем переходе То;
J высота неровностей профиля после обработки Rzo',
J глубина дефектного слоя поверхности после обработки /г0;
J суммарное значение пространственных отклонений заго-1<»|1ки или предварительно обработанной детали перед обработай на предшествующем переходе £Д0;
J допуск на точность выполнения поверхности на одном к мюлогическом переходе 71;
J погрешность установки заготовки на одном технологиче-11 <>м переходе еу1.
Минимальный промежуточный припуск, удаляемый при вы-поинении технологического перехода, называют расчетным прииском. Его определяют в соответствии с видом обработки по чедующим зависимостям:
— последовательная обработка противолежащих поверхно-। гей (асимметричный припуск):
/го + ^До EyI.
— параллельная обработка противолежащих поверхностей (симметричный припуск):
Як-' 2Zlrain = 2(7?3) + /г0 + £До + £д);
— обработка внутренних и наружных поверхностей тел вра-1 щения (симметричный припуск): I
2Zjmin = 2 Cfao + /го + д/ЁДо +е^).
Межоперационный припуск включает в себя расчетный припуск и допуск на точность выполнения рассматриваемой поверхности на предшествующем переходе:
1 ~ Zimm То.
Особенности расчета припусков:
— после термообработки
2Zlmin = 2(Л^о + ЗД) + £Л) (симметричный), Zimm = Rzo + £До +еУ| (асимметричный);
— под раскатку, суперфиниширование, обкатку и полирование zlmin — 27?zo;
— под развертывание плавающей разверткой и внутреннее протягивание
Zimm 2(7?£q + ho).
В общем случае максимальный межоперационный припуск на обработку определяется зависимостью
Zjmax TL()max(^/omax) + T'lmm(^/lmin) Zjmin + To + 7\, где Lomax, domax, t7Imin — предельные значения соответственно размеров и диаметров поверхности до и после обработки на рассматриваемом переходе.
Под общим припуском на обработку понимают суммарный слой материала, срезаемый при механической обработке на всех переходах: п п
Zxmax = Zf min z^Tj, i=l i=l
где п — число переходов обработки.
4.3. Расчет режимов резания и техническое нормирование
Выбор режимов резания. Правильный выбор режимов резания (глубина, подача, скорость резания) — один из основных факторов технологического процесса, определяющих качество 106
ИЙрибатываемой поверхности, точность, производительность и । Рбесюимость обработки. Режимы резания устанавливают в за-ншпмости от особенностей обрабатываемой заготовки, характе-1>п* ши применяемого станка и режущего инструмента.
При обработке резанием одним резцом первоначально опре-1С1пног глубину с таким условием, чтобы можно было удалить из I. операционный припуск на обработку за один рабочий ход. 11 nit по технологическим причинам обработка производится за шчколько рабочих ходов, то за первый рабочий ход рекоменду-ц я удалить наибольшую часть припуска с последующим мспьшением ее значения на остальных рабочих ходах для обеспечения заданных точности и шероховатости обрабатываемой поверхности.
Значение подачи принимается максимально возможной в за-III к и мости от глубины резания, точности и шероховатости обравниваемой поверхности, мощности станка, режущих свойств нпс ।румента, а также жесткости и динамической характеристики системы станок — приспособление — инструмент — деталь. 1'псчетную или выбранную по нормативам подачу согласовыва-•1>1 с паспортными данными станка. Скорость резания также ||цссчитывают по формулам теории резания или выбирают из нормативных таблиц в соответствии с выбранными значениями । иубины резания, подачи и стойкости режущего инструмента с vueiOM его формы и специфики обрабатываемого материала.
По выбранной скорости резания определяют частоту вращении шпинделя станка (или число двойных ходов стола), которую ни насовывают с нормативной частотой вращения по паспорту < i.iiiKa. При этом рекомендуется для обеспечения стойкости режущего инструмента выбирать ближайшее к расчетному меньшее значение частоты вращения шпинделя. В соответствии с принятой по паспорту станка частотой вращения корректируют исйствительные скорости резания.
По установленному режиму резания определяют силу резания, по которой при необходимости окончательно корректируют pi жимы резания в соответствии с паспортными данными станка.
При обработке заготовки несколькими режущими инструментами установление режимов резания осуществляется с уче-н)М особенностей применяемого оборудования и технологиче-* кой оснастки и заключается в обеспечении одновременного функционирования всех режущих инструментов. Так, например, при обработке заготовки комплектом режущих инструментов, шкрепленных в одном или нескольких инструментальных бло-
107
ках (суппортах, державках и т. п.) на многорезцовых токарных, полуавтоматах, токарно-револьверных и расточных станках, глубину резания и подачу выбирают для каждого инструмента как в случае обработки заготовки одним резцом. Подача каждого инструментального блока принимается наименьшей (лимитирующей) из допускаемых механизмом подачи станка.
Продолжительность работы каждого блока, характеризуемая частотой вращения шпинделя за рабочий ход блока, определяют отношением длины рабочего хода £рх к подаче So- Инструментальный блок, для которого отношение Lp->JSo максимально, лимитирует продолжительность обработки. Для уменьшения продолжительности работы лимитирующего инструментального блока следует уменьшать отношение £px/So, например, перераспределением нагрузки на режущие инструменты, увеличением количества инструментов или переносом обработки отдельных поверхностей детали на другие операции. При невозможности проведения указанных мероприятий снижают подачу нелимитирующего блока, обеспечивая примерно одинаковую продолжительность работы инструментальных блоков. В этом случае для нелимитирующего блока корректируют подачу So по зависимости
•So So Lp х/£р х,
где So — подача лимитирующего блока; £рх, ££х—• длины рабочего хода соответственно нелимитирующего и лимитирующего блоков.
При последовательной работе инструментальных блоков подачи не корректируются.
Скорость главного движения резания определяют из нормативных таблиц для предположительно лимитирующих инструментов в соответствии с их стойкостью. По наименьшей скорости резания, соответствующей лимитирующему инструменту, рассчитывают частоту вращения шпинделя с последующим уточнением ее по паспортным данным станка.
При обработке на многошпиндельных сверлильных, расточных и продольно-фрезерных станках, когда комплект инструментов, закрепленных в общем блоке (головке), имеет единую минутную подачу, но работает с разными скоростями резания, после установления глубины /р резания для каждого инструмента по нормативным таблицам выбирают подачу So на оборот шпинделя. Выбор лимитирующих скорость резания инструментов и определение стойкости фактически лимитирующего инструмента производят, как при многоинструментальной обработка
кс. По значению стойкости, пользуясь нормативными таблицами, устанавливают скорости резания и рассчитывают частоту ирнщения п-ш инструментальных шпинделей. Для некоторых ин-i tpyментов (например, разверток) скорость резания определяют и 1ависимости от требуемых точности и шероховатости обраба-11.1ваемой поверхности. Определив по минимальному отношению лимитирующую минутную подачу режущего инструмента
производят корректировку частоты вращения шпинделей в соси нетствии с принятыми значениями 5М:
SM/S0.
Действительные скорости главного движения резания рассчитывают в соответствии с найденными параметрами:
У= к dn^lQQQ,
|де d — диаметр инструмента.
Определив результирующую силу резания, производят окончи гсльную корректировку режимов резания по паспортным дан-пым станка.
При обработке на продольно-строгальных станках комплек-1ом режущих инструментов, работающих с одинаковой скоро-it ью главного движения резания, но с разной подачей, определение режимов резания осуществляют в той же последовательно-С1И. Установив для отдельных режущих инструментов глубину ре-|||пия и подачу, выбирают для каждого инструментального блока иимитирующую подачу, а по наибольшему пути резания опреде-няют лимитирующие инструменты. Затем для всех блоков по лимитирующему инструменту назначают скорость главного движения резания. Установленную подачу и скорость главного движения резания корректируют по паспортным данным станка.
Особенность определения режимов резания при обработке на автоматических линиях и агрегатных станках заключается в выборе скорости главного движения резания, при которой обеспечивается стойкость режущих инструментов при работе не менее половины рабочей смены. В данном случае затупившиеся инструменты могут быть заменены в перерыве между рабочими сменами, а малонагруженные инструменты — через одну или несколько смен без простоя оборудования. Смену инструментов обычно производят принудительно, независимо от износа.
109
Техническое нормирование. Определение производительности оборудования, осуществление календарного планирования производства, выявление возможности многостаночного обслуживания осуществляют на основе технического нормирования.
Под техническим нормированием понимается установление технически обоснованных норм времени или норм выработки в единицу времени.
Технически обоснованная норма времени (штучное время) и техническая норма выработки являются критериями целесообразности операций технологического процесса в определенных производственных условиях. Штучное время (мин) определяют по формуле
Ацт /в А'о ^ns
где /о — основное (технологическое) время, в течение которого производится удаление стружки, т. е. происходит изменение формы, размеров и качества поверхности обрабатываемой детали:
х
i — число проходов; 4 — вспомогательное время, затрачиваемое на установку и снятие детали, включение и выключение станка, подвод и отвод режущего инструмента, измерение размеров детали и др.; /то — время технического обслуживания, затрачиваемое на правку и смену затупившегося инструмента, подналадку, регулирование станка и удаление стружки в процессе работы. Время /то станка зависит от типа оборудования, характера выполняемой работы и в условиях массового производства нормируется в процентном отношении к основному (технологическому) времени; 4>об — время организационного обслуживания, затрачиваемое на приемку и подготовку станка к работе (чистка, смазывание и др.), сдачу готовой продукции, уборку рабочего места и передачу станка сменщику в конце смены. Это время зависит от типа станка и условий работы и выражается в процентах от оперативного времени (4П — to + 4); 4 — время перерывов на отдых и физические потребности рабочего. Данное время регламентируется конкретными условиями производства, а также специфическими условиями работы на данном оборудовании и определяется в процентном отношении к оперативному времени.
Под нормой выработки понимают регламентированный объем работы, который должен быть выполнен в единицу времени в определенных организационно-технических условиях одним или несколькими исполнителями соответствующей квалификации.
но
Норма выработки Ns характеризуется количеством изделий, ко трое по плану должен изготовить рабочий за определенный период времени (обычно за смену). Ее используют при учете фпк гической производительности:
TVb 1/Ашт ИЛИ Л/всм
। нс /с — продолжительность рабочей смены, мин.
При обработке деталей партиями в серийном производстве, п ыкже на переналаживаемых групповых и автоматических линиях дополнительно рассчитывают подготовительно-заключи-iciibHoe время tn3 и штучно-калькуляционное время ?шк:
АпК Алт "Е Атз/^j
I де п — количество деталей в партии.
Подготовительно-заключительное время затрачивается рабочим на ознакомление с чертежом, подготовку и наладку оборудования, приспособлений и инструмента, пробную обработку истлей, сдачу продукции, приспособлений и инструмента после окончания работы и не зависит от количества деталей в партии. ' )ю время определяется по нормативам в зависимости от харак-lepa и объема подготовительных работ и в норму штучного времени не включается.
4.4. Точность механической обработки нее обеспечение производстве
Точность механической обработки в двигателестроении име-ci большое значение для обеспечения эксплуатационных харак-юристик двигателей.
Вопросы точности решаются комплексно на стадиях проек-|црования конструкции, производства деталей и сборки изделия. При этом устанавливаются необходимые требования к точности изготовления двигателя и его деталей, исходя из их функционального назначения, и обеспечивается заданная точность соответствующей разработкой технологического процесса.
Под точностью технологического процесса понимают свойст- 1 во технологического процесса, обусловливающее близость дей-i тигельных и номинальных значений параметров по их распределению вероятностей. Вследствие возникающих погрешностей при обработке действительные размеры и другие точностные па-
П1
раметры обработанных деталей отличаются друг от друга. Погрешности обработки возникают на всех этапах технологического процесса и взаимосвязаны между собой. Кроме того, на точность изготовления деталей влияет точность самих заготовок, так как проявляется их технологическая наследственность.
Под погрешностью обработки понимают отклонение полученного при обработке значения какого-либо размера детали от заданного. Абсолютную погрешность выражают в единицах рассматриваемого параметра:
А Хд Хн,
где хд и хн — значения параметра соответственно действительное и номинальное.
Отношение значения абсолютной погрешности к заданному номинальному значению параметра называют относительной погрешностью:
Е = А/хи или Е = (А/Хн)100 %.
Количественно точность характеризуется обратной величиной модуля относительной погрешности:
е = |Д/х„|-1.
Под точностью обработки понимают степень приближения размеров, формы, взаимного расположения, качества обработанных поверхностей к значениям, заданным по чертежу.
При высоких требованиях к точности деталей регламентируют допустимые отклонения размеров, отклонения от правильной геометрической формы поверхностей и их взаимное расположение.
Точность формы имеет важное значение при работе сопряженных поверхностей. Под точностью формы поверхности понимают степень ее соответствия геометрически идеальным поверхностям. Для поверхностей вращения она характеризуется отклонением от круглости поперечного сечения, конусообразностью. искривлением оси.
Плоская поверхность может иметь допуски плоскостности и прямолинейности. Допуск формы поверхности обычно составляет часть допуска на соответствующий размер.
К погрешностям взаимного расположения поверхностей можно отнести отклонения от соосности шеек ступенчатого вала, параллельности плоскостей, перпендикулярности осей детали к
112
шрцу; допуски расположения параллельных или перпендикулярных осей отверстий, радиального и торцового биения и др.
1очность формы и взаимного расположения поверхностей шнпсит от различных технологических факторов. В болыиин-11 нс случаев она определяется точностью относительных перемещений инструментов, обрабатывающих взаимосвязанные по-м-ркности, точностью копирных устройств.
На точность механической обработки влияет ряд технологических факторов: геометрические погрешности изготовления < шика и изнашивание его элементов; неточность изготовления и изнашивание инструмента; деформации обрабатываемой заго-|овки; погрешность установки заготовки; жесткость технологи-•ичкой системы; погрешность настройки станка; погрешности, цы зываемые тепловыми деформациями системы; остаточные напряжения в материале заготовки; неточность средств и метонов измерений; вибрации технологической системы и др.
Основные факторы, вызывающие погрешность обработки, * целующие.
Геометрическая погрешность изготовления станка и изнашивание его элементов. Геометрическая погрешность изготовления i шика возникает вследствие неточностей при сборке и обработке его основных узлов. Для каждой группы станков установлены нормы точности, которые регламентируют точность изготовления и сборки деталей. Например, отклонение от прямолинейно-г1п, плоскостности и параллельности направляющих должно Оьнь 0,02 мм на длине 1000 мм, допуск радиального биения Шпинделей — 0,01—0,05 мм, а торцового — 0,01—0,02 мм.
Геометрическая погрешность изготовления станка вызывает уклонения значений размеров, формы и расположения обрабо-1ш шых поверхностей. Так, например, при обработке консольно шкрепленной заготовки отклонение от параллельности оси шпинделя токарного станка по отношению к направляющим танины в горизонтальной плоскости характеризуется конусооб-разностью:
ДкОН АдЛз/ Тр,
где Дд — допустимое отклонение от параллельности оси шпинделя по отношению к направляющим станины токарного станка па длине £р; L3 — длина обрабатываемой заготовки, мм.
Неточность изготовления и изнашивание инструмента. Неточность изготовления фасонных режущих инструментов непосред-11 пенно влияет на точность обработки. Такими инструментами и 5*135 - 113
являются сверла, развертки, метчики, протяжки, фасонные резцы, фрезы. Профиль этих инструментов копируется иа обрабатываемой детали. При изнашивании инструментов изменяются геометрические размеры обрабатываемых поверхностей.
Размерный износ инструмента измеряют в направлении нормали к обрабатываемой поверхности. Линейный износ инструмента зависит от длины Lp пути резания и определяется, например, при точении следующей зависимостью:
h = to(Lp + /доп)/1000, где to — относительный износ инструмента для данных условий выполнения операций, определяемый по нормативам;
Lp = (nJ/W00)(I„/S);
Аюп “ дополнительный путь резания, учитывающий интенсивное начальное изнашивание, /доп = WOO м; d — диаметр обрабатываемой детали, мм; Ln — длина прохода, мм; S — подача, мм/об.
Увеличение стойкости инструмента достигается применением новых марок инструментальных материалов, использованием расчетных режимов резания, алмазной заточкой и доводкой, покрытием пленками нитрида титана, применением специальных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), упрочнением инструмента электроискровым методом.
Деформации обрабатываемой заготовки. При установке заготовки в приспособление под действием усилия закрепления происходит ее деформация, что приводит к изменениям размеров и формы детали. Например, при закреплении тонкостенного кольца в трехкулачковом патроне кольцо деформируется, утрачивая круглую форму. После растачивания внутренней поверхности и снятия сил зажима вследствие упругой деформации заготовки наружная поверхность кольца примет круглую форму, а внутренняя ее потеряет. При чистовой обработке тонкостенных нежестких заготовок (колец, гильз, корпусных деталей) необходимо применять приспособления, обеспечивающие равномерное распределение сил зажима по поверхности детали: пневматические, гидравлические устройства, различные цанговые зажимы, разрезные втулки, мембранные патроны и др. При обработке нежестких валов применяют люнеты.
Погрешность установки заготовки. При установке заготовки в приспособление ее положение должно быть определено относительно режущего инструмента. Однако вследствие погрешностей базирования и закрепления заготовки ее положение изменяется, 114
•по вызывает отклонение величины выполняемого размера и ши и много положения обрабатываемых поверхностей. Погрешим гь установки зависит от правильного выбора базовых поверхностей, точности изготовления и износа приспособления, । мещения измерительной базы в направлении получаемого размера при закреплении заготовки. Таким образом, погрешность V» шпонки складывается из погрешности базирования eg, По-1реи|ности положения заготовки вследствие неточности изго-Iпиления приспособления и его износа ЕГ[р и погрешности закрепления £3. Погрешность базирования может быть равна нулю, гели технологическая база совпадает с измерительной.
Жесткость технологической системы. Основным источником пт решностей механической обработки является недостаточная жесткость системы станок — приспособление — инструмент — ле । аль. Это замкнутая упругая система, которая деформируется Нод действием сил резания.
Погрешности от упругих деформаций системы составляют в сдельных случаях 80 % общей погрешности механической обработки. Известно, что сила резания действует не только на режущий инструмент, но и на заготовку, причем основное влияние на деформацию оказывает радиальная составляющая Ру i илы резания, направленная по нормали к обрабатываемой поверхности. В процессе обработки сила резания вызывает упругие «нжатия элементов технологической системы. Их значения зависят от силы резания и жесткости элементов системы, т. е. от их способности противостоять действующей силе. Неравномерность упругих отжатий обусловлена нестабильностью силы резания вследствие неравномерной глубины резания, непостоянством размеров заготовок в партии, механических свойств материала, затуплением инструмента. Форма и размеры заготовки при этом изменяются.
Таким образом, точность обработанных поверхностей зависит от жесткости элементов технологической системы. Под жесткостью какого-либо элемента технологической системы понимают отношение радиальной составляющей Ру силы резания к смещению Д/ лезвия инструмента в направлении действия этой силы:
IC = Р/Д/.
Величину, обратную жесткости, называют податливостью:
< е = М/Ру.
115
В процессе обработки на систему влияют и другие составляющие силы резания — Рг и Рх, однако при определении жесткости эти силы не учитывают. Расчет жесткости основывается на определении жесткости заготовки, узлов станка, инструмента и приспособления. Жесткость элементов технологической системы находят экспериментально, а жесткости детали и некоторых инструментов определяют аналитически.
Для определения жесткости вала при обработке его в центрах на токарном станке используют формулу изгиба балки, свободно лежащей на двух опорах:
f =РЦ/48Е1,
где f — стрела прогиба, см; Р — нагрузка, №, — длина вала,
см; Е — модуль упругости, Па; 1 — момент инерции, см4.
Жесткость гладкого вала при расположении резца в середине вала
С, = Ру/&1. = 4&E//II
Для гладкого вала, консольно закрепленного в патроне,
С. = 3EI/LI
Если закрепленный вал в патроне поддерживается задним центром, то
с» = по/?///.:.
Жесткость элементов технологической системы находят экспериментально-статическими методами, нагружая каждый элемент в точке приложения и в направлении действия радиальной составляющей силы Ру. При этом измеряют величину отжатия при каждом последующем нагружении. Нагрузка изменяется от нуля до некоторого значения. После достижения максимального значения нагрузки производят разгрузку, фиксируют деформацию и строят график зависимости (рис. 4.3)
Д/ = Ж)-
При этом ветви нагружения 7 и разгружения 2 не совпадают. Это объясняется наличием зазоров в стыках узлов, потерей энергии на преодоление сил трения в сопряжениях и на контактные деформации. При повторных нагружениях (штриховые линии) и разгружениях (штрихпунктирные линии) петля гисте-
116
Рис. 4.3. Кривые нагружения и разгружения суппорта токарного станка
рсшса уменьшается. Кроме статического метода, применяют динамический метод определения жесткости элементов в процессе резания.
Нестабильность силы резания, неоднородная жесткость злели птов технологической системы вызывают ее вибрации, которые влияют на шероховатость обрабатываемой поверхности.
Определение жесткости системы сводится к нахождению перемещений элементов системы. Известно, что деформация сис-1смы равна сумме деформаций отдельных элементов этой системы, следовательно, суммарная деформация системы равна
Д/х = Д/i + Д/2 +• ... + Д/Л, -
। ле Д/„ — перемещение п-го элемента системы.
Примером расчета жесткости системы служит установка вала на токарном станке. На схеме (рис. 4.4) показаны равные силы /’, действующие на инструмент и деталь и направленные в про-швоположные стороны. Сила, действующая на инструмент, выпивает смещение суппорта, а сила, приложенная к детали, — смещение передней и задней бабок станка. По данной схеме ус-ыковки вала значения упругих деформаций элементов станка определяются по формулам:
Д/суп ~ Ру/Ссуп\ = Py/2CnQ; Д/Зб = Cy/2C3$.
В формулы смещения бабок вводится сила Ру/2, так как сила резания передается на обе бабки равномерно. Тогда суммарная деформация бабок станка в среднем сечении вала равна Ь Д/б = 0,5 (Д/Пб + Д/Эб>.
Ж>! 117
Рис. 4.4. Схема смещений узлов станка и летали от действия Ру
Суммарная деформация станка в рассматриваемом сечении составляет
+ 0,5(Д/пб Д^зб) или
Д4т ~ Ру/Ссуъ + 0>5[/j/2Cn6 + /у/2Сзб!<
С учетом жесткости станка можно записать
Д/сТ
Приравнивая оба выражения для Д/дт, получим
1/Сст = 1/Ссуп + 1/4(1/Спб + 1/Сзб) или
ест Сеул 1/4(епб 4* с3б).
Учитывая жесткость детали, можно определить жесткость всей технологической системы:
1/Cc=l/Q + I/Q^
Жесткость отдельных элементов станка различна. С увеличением жесткости повышаются точность и производительность обработки.
Погрешность настройки станка. При изнашивании инструмента возникает необходимость каждый раз настраивать станок на выполняемый размер. Положение вновь установленного инструмента относительно заготовки меняется при каждой его 118
тмнастройке, поэтому для каждой партии обрабатываемых займовой оно будет различно. Вследствие этого размеры обработанных деталей из-за погрешности настройки будут разными.
Установка инструмента на соответствующий размер осуществляется двумя способами. По первому способу настройку ин-Сфумента производят последовательным приближением его к дошли на заданный размер. После снятия пробных стружек проверяют размер универсальными измерительными инструментами. По набору данных определяют значение и направление смешения инструмента.
Установку инструмента по второму способу производят по налонам или с помощью специальных приспособлений станка. При этом положение инструмента регулируют таким образом, чюбы размеры всех заготовок в партии находились в пределах ноля допуска.
Установку инструмента на размер для обработки пробных деталей осуществляют при помощи лимбов, индикаторов и т. д. При этом погрешность настройки инструмента Д„ включает по-фешности регулирования Др и измерения Диз размеров пробных деталей.
IУчитывая, что Дн и Др относятся к радиусу, а Диз — к диамет-получим
— для поверхностей вращения
Дн = 7(*рДр)2+СК„Д„/2)2;
— для плоских поверхностей
д„ = 7(^рДр)2 +(^„д„)2
Коэффициенты Кр = 1,14 — 1,73 и Ки = 1 учитывают отклонения значений величин Др и Днз от нормального закона распределения.
Настройка по эталону производится при неработающем панке. При этом учитывают упругие отжатия технологической системы, подбирая нужную толщину щупа между эталоном и инструментом. Погрешность настройки по эталону будет складываться из погрешностей изготовления эталона и установки инструмента.
Погрешность при тепловых деформациях системы. В процессе обработки элементы технологической системы нагреваются в результате трения подвижных частей станка. Различают два вида
119
теплового состояния системы: нестационарное (пуск станка до теплового равновесия системы) и стационарное (окончание обработки). Нагрев деталей станка, детали, инструмента, приспособления приводит к линейному и объемному увеличениям их размеров. Происходит удлинение режущего инструмента, удлиняются детали станка и обрабатываемой заготовки.
При черновой обработке нагрев заготовки будет больше, чем при чистовой. Если чистовую обработку производить сразу после черновой, то погрешности формы обработанной детали из-за температурных деформаций будут большими. Поэтому необходимо между черновой и чистовой обработками выдержать необходимый промежуток времени для остывания детали.
Полную погрешность ТЛ? обработки, связанную с температурными деформациями деталей станков, определить весьма сложно.
Только в некоторых случаях, например при равномерном нагреве деталей, можно вычислить изменение их размеров:
Д/д = o.Lp^t,
где La — размер детали; а — коэффициент линейного расширения материала детали; Дг — изменение температуры детали.
В остальных случаях погрешности, вызываемые температурными деформациями технологической системы, определяют следующей зависимостью:
ЕДт = (0,10 - 0,40)2Дд.
При шлифовании ЕДТ составляет 30—40 % суммарной погрешности обработки ЕДд.
Суммарную погрешность ЕДМ механической обработки можно выразить следующей зависимостью:
ЕЛМ = Д + £у + Дн + Ди + ЕДТ + ЕДф,
где Д — погрешность выполняемого размера; Еу — погрешность установки детали; Д!( — погрешность настройки станка; Ди — погрешность в результате изнашивания инструмента; ХДГ — погрешность от тепловых деформаций; £Дф — сумма погрешностей геометрической формы.
Для более точного определения суммарной погрешности применяют формулу
120
I ЕДМ = кф^ A2 + Х2е J + Х3 А и + Х4 А и + EX 5 А2 + ЕД ф, где к — коэффициент риска, при к = 1 брак Б ~ 32 %, при к = 2 Ц> - 4,50 %, при к = 3 Б— 0,27 %; Xj—Xj — коэффициенты, зависящие от характера распределений значений размеров, для нормального закона распределения Х],з = 1/9.
I При к = 3 и Х4,5 = 1/3 получим
ЕД„ = З^Д2 +е2. + Д2 +1/ЗД2 + Я/ЗД2 +£Д2ф .
I Для обеспечения заданных по чертежу размеров и формы не-Юбходимо, чтобы выполнялось условие
I ITR = ЕДсис + ЕАсл,
где 1ТД — стандартный допуск на обработку детали; ЕДСИС и ЕДСЛ — суммы погрешностей соответственно систематических и [случайных.
I Различают систематические постоянные погрешности, напри-hep погрешности настройки станка, и переменные погрешности, ракономерно изменяющиеся, например погрешности изнашивания инструмента, температурных деформаций. Случайные погреш-шоснш — это такие погрешности, определить значения и момент [Появления которых не представляется возможным (например, изменение размеров заготовки в результате колебаний припуска шли неравномерной твердости). Разброс размеров обусловлен [случайными погрешностями. Оценку точности механической обработки производят аналитическим и статистическим методами. [Погрешности, возникающие при обработке партии заготовок на [предварительно настроенных станках, иногда трудно определить [расчетным путем. В этом случае применяют статистический ме-р»д оценки рассеяния размеров по кривым распределения. Он заключается в том, что в конкретных производственных условиях [обрабатывается партия заготовок в количестве 50—250 шт. После [обработки детали измеряют измерительным инструментом. Ре-рультаты измерений обрабатываются статистическими методами с [псиользованием теории вероятности. Вероятностно-статистический метод позволяет определить процент брака, сравнить точность деталей при различных методах обработки.
При разных условиях обработки партий заготовок распределение значений размеров происходит по различным математическим законам: нормальному распределению (закон Гаусса),
121
равнобедренного треугольника (закон Симпсона), эксцентриситета (закон Рэлея), равной вероятности Максвелла. При изучении влияния случайных факторов установлено, что распределение действительных значений размеров заготовок, как правило, подчиняется нормальному закону распределения.
Уравнение кривой нормального распределения значений размеров имеет следующий вид:
у=(о^)-1е<х--'ч>'2Л2<’2),
где о — среднее квадратическое отклонение,
Ц — текущее значение действительного размера; Др — среднее арифметическое значение действительных размеров заготовок данной партии; N — число заготовок в партии; rnt — число заготовок размером Lf.
Значение £ср, характеризующее положение центра группирования размеров, определяется из выражения
£ср = £ri ЪЦт,.
Кривая нормального распределения (рис. 4.5) симметрична относительно оси абсцисс. Ордината вершины кривой при Д — Др определяется равенством
Ушах = (о-\/2я) 1 « 0,4/о.
На расстоянии + о от вершины кривая имеет две точки перегиба А и В с ординатами
У а = У в = 1/(Олбле) = Утах Ve = 0,6 утах.
При таком законе распределения 25 % всех значений размеров деталей находится в интервале + 0,30с; 50 % — в интервале + 0,70о; 75 % — в интервале + 1,10о; 99,73 % — в интервале + За. Фактическое поле рассеяния значений размеров заготовок Ф — 6о.
Надежность обеспечения требуемой точности обработки заготовок характеризуется запасом точности данной операции, который определяется по формуле
Кг = Т/Ф,
где Т — допуск на обработку заготовок. ,
122
Рис. 4.5. Кривая нормального распределения размеров
При Ат > 1 обработка заготовок может Оьпь осуществлена без брака. При Ат<1 брак при обработке вполне вероятен.
Для всех законов распределения значений размеров обработка считается удовле-нюрительной, если Ф < Т. Для нормально-к> закона распределения 6<т < Т.
Для определения количества годных де-шлей необходимо найти площадь, ограниченную кривой и осью абсцисс на длине, равной допуску Т Площадь также определя-<•1 количество деталей в партии. При площа-пи, равной единице, количество заготовок в партии 100 %-е.
При симметричном расположении поля рассеяния относи-1спьно поля допуска (рис. 4.6, а) следует найти удвоенное значение интеграла, определяющего половину площади кривой Гаусса:
Е(Ц = (аДл)-1 J e~endL.
и выражение можно иначе записать в виде функции z - (Lt — (о. Подставляя значение z, получим функцию Лапласа,.
Д?) =(&)-' je-?/2rfz.
При симметричном расположении кривой относительно ноля допуска незаштрихованная площадь кривой равна 2f\z), а ИЖ как вся площадь равна единице, то процент брака определяйся по следующей зависимости:
При несимметричном расположении поля рассеяния значе-! ний размеров ''середина поля допуска смещена на величину А (см. рис. 4.6, б), тогда процент брака определяется следующим; выражением: ;
Б = [0,5- Дг)]100 %,
при этом площади F3 и F2 определяются последовательно.
Однако этот метод анализа точности не позволяет исследовать изменение размеров деталей в процессе обработки. Для контроля технологического процесса применяют статистический метод точечных диаграмм. Сущность метода заключается в измерении размеров небольшой партии деталей с последующим нанесением их на карту. По графикам изменения значений размеров определяют время появления брака и своевременно производят настройку инструмента или его замену, а также поднастройку станка.
4.5. Контроль точности деталей
Неотъемлемая часть технологического процесса — контроль качества деталей, узлов и агрегатов. При этом под словом «контроль» следует понимать проверку соответствия количественных и (или) качественных характеристик продукции установленным техническим требованиям. Последние содержатся в технической документации на продукцию (чертежи, технология, технические условия, паспорта).
Практически во всех технологических переделах используются средства контроля и измерений как основополагающее условие для обеспечения качества продукции.
На машиностроительных предприятиях количественно и по удельному весу преобладают средства измерений линейно-угло-вых величин. Более 85 % времени, затрачиваемого на проведение контроля и измерений, связано с применением средств контроля и измерений линейно-угловых величин.
Обычно контролируют линейные размеры (длину и диа-мезр), величины углов и конусов, формы и взаимное расположение поверхностей, шероховатости поверхностей, толщины покрытий.
124
Приведем описание некоторых видов средств контроля и измерений в последовательности, связанной не со значением их роли в производственном процессе, а по сложности их конст-румивного исполнения, точностным и функциональным возможностям.
Наиболее простыми в конструктивном исполнении являются кипибры. Калибр — это мера, предназначенная для сравнения с in п размеров, формы, расположения поверхностей деталей с ценно определения их годности. Калибры для контроля гладких пининдрических изделий (валов, втулок) называют скобами, а пня контроля отверстий — пробками. Применяют регулируемые п нерегулируемые калибры, проходные и непроходные, рабочие, приемные и др. Изделие признается годным, когда оно проходи! проходной и не проходит непроходной калибр, поэтому оно ппходится в поле допуска. При этом проходной скобой контролируют наибольший размер вала, а непроходной скобой — наименьший. Рабочие калибры применяют при изготовлении изделий на рабочих местах. Приемные калибры (проходные и не-проходные) применяют для приемки изделий.
К изготовлению калибров предъявляются высокие требования Их нормируемая погрешность нередко исчисляется в микрометрах. Однако калибры не дают значения контролируемой величины изделия в виде числового значения и их применение шраничено, если надо проводить высокоточные измерения.
Следующая большая группа средств измерительного контроля штангенинструмент и микрометрический инструмент. К пнангенинструменту относят штангенциркули, штангенглуби-померы, штангенрейсмусы и др. Все эти инструменты предна-шачены для абсолютных измерений линейных размеров и разменом деталей. Принцип действия основан на применении двух шкал — основной и дополнительной. Основная шкала служит дня сравнения измеряемого размера; дополнительная, называемая нониусом, — для повышения точности отсчета долей деления основной шкалы. В основу отсчета по нониусу положена способность человеческого глаза оценивать совпадение или несовпадение штрихов двух сомкнутых шкал.
Микрометрический инструмент предназначен для абсолютных измерений и основан на использовании точной винтовой пары для преобразования вращательного движения микрометрического винта в поступательные.
125
При автоматизированном контроле применяют специальные установки. Например, используют автоматы электронного контроля поршней по диаметру юбки, диаметру и овальности пальцевого отверстия. Эти автоматы в ходе контроля сортирую» поршни по диаметру юбки на размерные группы через 0,01 мм и осуществляют маркировку по диаметру юбки или пальцевого отверстия. Электронная измерительная система работает в диалоговом режиме, управляет автоматом и производит статистическую обработку результатов измерения. Автоматы имеют производительность до 700 деталей в час, предел погрешности при контроле диаметра юбки — 0,002 мм, диаметра и овальности отверстия — 0,001 мм.
На таких же автоматах контролируют и сортируют поршневые
пальцы по наружному диаметру и отклонениям от цилиндрично-сти. В основе измерения — сравнение с эталоном. Производительность автомата — до 500 деталей в час, погрешность измерения — 0,5 мкм. Сортировка производится на годные детали (4 группы), детали с браком по диаметру и по отклонению от цилиндричности.
В качестве другого примера можно привести автомат для электронного контроля игл распылителей форсунок по диаметру и нецилиндричности наружной рабочей поверхности. При контроле осуществляется сортировка деталей на 30 размерных групп и отбраковка некондиционных деталей. Производительность автомата до 700 деталей в час, предел погрешности — 0,0004 мм.
Последним достижением в области создания контрольно-измерительной техники можно считать многокоординатные изме-
рительные машины, универсальность которых позволяет решать практически все задачи, связанные с измерением деталей и узлов. Эти машины (рис. 4.7) обеспечивают вы-
Рис. 4.7. Принципиальная схема координатно-измерительной ма-
сокую точность и быстроту проведения измерения, отсутствие затрат времени на базирование деталей, управление процессом измерения с помощью вычислительных машин (ЭВМ), обеспечивающих быстрое решение сложнейших геометрических, тригонометрических задач, возникающих в процессе измерений. Результаты измерений могут быть переданы на центральную ЭВМ, управляющую ходом технологического процесса, что обеспечивает возможность выработки сигналов обратной связи, необходимых для системы
шины управления.
126
4.6. Характеристики поверхностного слоя
В результате воздействия режущего инструмента, силовых, (силовых и других факторов при обработке заготовки состояние обработанной поверхности оценивается ее поверхностным сло-гм Поверхностный слой характеризуется шероховатостью, вол-пнеюстью, а также физико-механическими свойствами.
Шероховатостью поверхности называют совокупность неровное гей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная, например, с помощью базовой длины I. Профилограмма поверхности представлена на рис. 4.8. При оценке шероховато-(in используется понятие базовой длины, по величине которой шероховатость количественно отличается от других видов неровностей — волнистости и макронеровности. Также возможно определение шероховатости на некоторой оценочной длине I, ннорая содержит одну или несколько базовых длин.
Измерение шероховатости поверхности производят по системе средней линии профиля.
Система средней линии является системой отсчета, исполь-|усмой при оценке параметров шероховатости поверхности, в которой в качестве базовой линии используется средняя линия.
Средняя линия профиля — базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально.
Количественно шероховатость поверхности характеризуется параметрами, связанными с высотными свойствами неровно-(1ей или со свойствами неровностей в направлении длины профиля. а также его формой. При этом шероховатость поверхно-<1 и оценивают высотами неровностей профиля — наибольшей /<1ЫХ и по десяти точкам Rz и средними отклонениями профиля — арифметическим Ra и квадратическим Rq. '
I
. 4.8. Профилограмма поверхности для определения шероховатости
127
Параметры Rmax и Rz используют в тех случаях, когда необходимо ограничить полную высоту неровностей профиля или рыхлого поверхностного слоя. Параметр R^ является расстоянием между линиями выступов и впадин профиля в пределах базовой длины. Параметр Rz определяется как сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины: +ixi)/5>
где йр, — высота f-го наибольшего выступа профиля; hvl — глубина /-й наибольшей впадины профиля.
Параметр Ra представляет собой среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины:
i Ra — J*|y(x)|dr о
или
Ra = «-| м где п — число отклонений профиля в пределах базовой длины; у, — отклонение профиля от средней линии.
Среднее квадратическое отклонение Rq характеризуется каь среднее квадратическое значение отклонений профиля в пределах базовой длины:
-\И ' f У7(х)^х-
V о
Иногда используется среднее значение Р параметра шероховатости поверхности, которое определяется как среднее значение шероховатостей на всех длинах:
где к — число единичных длин оценки; п
число
базовых
длин
на единичной длине оценки; Rj — значение параметра, определенное на одной базовой длине.
128
При исследованиях наиболее ответственных поверхностей использование параметров неровностей может оказаться недос-ш очным, необходимо дополнение параметрами, связанными со । шшствами неровностей в направлении длины профиля и его формой. К данным параметрам относят:
J средний шаг неровностей профиля по средней линии Sm\
J средний шаг местных выступов профиля 5,.
Параметры Sm и 5, оказывают существенное влияние на виб-рпусгойчивость и прочность при циклических нагрузках, пен ному значения данных параметров указывают при обозначении Шероховатости на чертеже:
J средняя квадратическая длина волны профиля
J средняя длина волны профиля
J длина растянутого профиля La\
Jотносительная длина профиля /0;
J плотность выступов профиля D;
J средний квадратический наклон профиля
Jсредний арифметический наклон профиля Да;
п
Jопорная длина профиля
Jотносительная опорная длина профиля 1Р = т)3/7.
Параметр 1Р комплексно характеризует высоту и форму неровностей, фактическую площадь контакта .шероховатых поверхностей, способность микрорельефа воспринимать нагрузку, и шосостойкость трушихся поверхностей, контактную жесткость, герметичность соединений.
При изготовлении деталей предусматриваются дополнительные требования к типу направления неровностей, так как суше-ивуют параллельное, перпендикулярное, перекрещивающееся, произвольное, кругообразное и радиальное направления.
Для обеспечения требований к шероховатости необходимо применять рациональные способы обработки заготовок. Повышение требований увеличивает трудоемкость изготовления дета-иси, а в некоторых случаях может оказаться нерентабельным.
Контроль параметров шероховатости может осуществляться прямыми и косвенными методами. Для косвенной оценки используют эталоны шероховатости и интегральные методы. Оценка по эталонам имеет субъективный характер. Инте-|ральные методы позволяют оценить шероховатость поверх-*» 5935 129
ности по расходу воздуха, проходящего между соплом пневматической измерительной головки и измеряемой поверхностью. При этом настройка приборов производится по поверхностям эталонных деталей. При прямом методе применяют щуповые или оптические приборы. Числовые значения параметров шероховатости определяют по шкале приборов (профилометров) или по увеличенному изображению записанной профилограммы (на профилографе). Основные характеристики приборов приведены в табл. 4.1. Износостойкость сопрягаемых поверхностей значительно зависит от волнистости, так как ее увеличение приводит к уменьшению площади контакта в 5—10 раз.
Волнистостью поверхности называют совокупность периодически повторяющихся неровностей поверхности, у которых отношение Sw : hWl — 50—1000, где Sw~ шаг волны; К, —высота волны.
Количественная оценка волнистости производится по высоте волнистости hwl. Параметр hm является средним арифметическим значением пяти значений высоты волнистости:
(^И’| "I" hW2 ^«5)/“*-
Значения hw—hW5 определяют на пяти одинаковых участках измерения волнистости как вертикальные расстояния между линиями, эквидистантными средней линии, которые проведены по наивысшим и наинизшим точкам профиля одной полной волны (рис. 4.9).
Базой для измерения волнистости служит средняя линия профиля волнистости mw. Волнистость характеризуется следующими параметрами:
— Наибольшей ВЫСОТОЙ ВОЛНИСТОСТИ hwmato
— средним шагом волнистости Sw как средним арифметиче-
ским значений шагов SWf) измеренных по tnw : Sw — .
Рис. 4.9. Профилограмма поверхности для определения волнистости
130
Таблина41 Параметры волнистости
Тип прибора Измеряемый параметр шероховатости поверхности Предел измерения, мкм Базовая длина, мм
1 фофилограф-профилометр’
профилограф Ra 0,008—20 0,080,0,250
Rz, Rmax 0,025-100 0,800, 2500
Si, Sm 0,003-12,5 8,000
4> 10-90 %
профилометр Ra 0,02—8 0,080,0,250
Профилометр 253 Ra 0,04-2,500 0,250,0,800,2,500
111 юфилограф-профилометр 252
профилограф Ra 0,050-60 0,080,0,250
Rz, Rmr& 0,020-250 0,80, 2,50
St, Sn 0,003—12,5 8,00
1, 10-90%
профилометр Ra 0,020-100 0,080,0,250
1фибор светового свечения
IK С-2 Rz, Rmax 0,800-40 0,001
s„s„ 0,002—2,500 0,030
ОРИМ-1 RZ, Rmax 0,400-40 0,080,0,250
к- St, Sm 0,020-2,500 0,800, 2,500
пгф Rz, Rmax 40-320 0,250,0,080
5 s„ s„ 0,020-6,300 2,500, 8,000
М икроинтерферометр RZ, Rmax 0,100-0,800 0,010,0,030
МИИ-4 S..S. 0,020-0,250 0,080.0.250
Определение степени волнистости производят универсальными приборами — индикатором, оптиметром, проектором; для контроля отклонений формы поверхности используют кругло-мср, профилометр-профилограф, а также специальные приборы — волнографы и волномеры.
Механические свойства поверхностного слоя в основном характеризуются глубиной и степенью упрочнения, значением, шдком и характером распределения остаточных напряжений и М11 кростру ктурой.
В результате комплексного воздействия силовых и тепловых факторов механические свойства поверхности материала изменяются.
При обработке лезвийным инструментом основное влияние оказывают силовые факторы. При этом материал пластически деформируется, изменяется его структура, происходят повороты ’* 131
и смещения кристаллов по плоскостям скольжения, увеличивается плотность дислокаций. В результате на плоскостях скольжения образуются дислокационные барьеры, затрудняющие скольжение и создающие большие внутренние напряжения. Образование дислокаций и измельчение зерен сопровождаются повышением твердости. Упрочнение характеризуется степенью наклепа и его глубиной.
Степень наклепа определяют по формуле
бн (^обр — ЯИСХ)/йисх,
где НОбр — твердость поверхностного слоя после упрочнения; Яисх — твердость материала до упрочнения.
Глубину наклепа определяют при измерении микротвердости поверхностного слоя прибором ПМТ-3. Глубину наклепанного слоя и изменение его микротвердости по мере удаления от поверхности обычно определяют по микрошлифу, выполненному в виде косого среза под углом 0,5—2° к обработанной поверхности.
Глубину наклепанного слоя определяют выражением
Дй — I sin а,
где I — длина наклепанного слоя по плоскости среза; а — угол косого среза.
Возникновение остаточных напряжений обусловлено следующими причинами:
J неравномерной пластической деформацией поверхностных слоев;
неравномерным нагревом тонких поверхностных слоев;
J структурно-фазовыми превращениями, возникающими при воздействии силовых и тепловых факторов.
Различное влияние тех или иных факторов предопределяет образование растягивающих +о или сжимающих —о остаточных напряжений.
Для измерения остаточных напряжений наибольшее распространение получили методы Н.Н. Давиденкова и Г. Закса. Напряжения определяют по деформации образца после снятия с него напряженного слоя. Для тонких слоев используют рентгеновский метод, основанный на измерении межатомных расстояний в напряженном и ненапряженном состояниях материала.
Каждому способу механической обработки соответствую:1 определенный диапазон значений высот микронеровностей, их 132
фирма и направление, величина и глубина наклепа, знак и величина остаточных напряжений.
Направление неровностей при обработке поверхности опресняется кинематикой движения инструмента. Для строгания, <цю1ягивания, шлифования периферией круга типично параден иное направление неровностей. При хонинговании неровно-• in представляют собой сетку из перекрещивающихся спиралей, й произвольное направление характерно для операций притирки, шлифования торцом круга, полирования.
Высота микронеровностей зависит от следующих факторов:
- обрабатываемого материала. Так, обработанные поверхно-ии из малоуглеродистых сталей имеют большую высоту микро-нгровностей по сравнению с высокоуглеродистыми сталями и •iyi уном;
- способа и режима обработки, при этом большое влияние ид шероховатость оказывают скорость резания, подача, сила ре-шния;
— материала и формы режущего инструмента. Обработка за-пповки инструментом из твердого сплава обеспечивает менее шероховатую поверхность по сравнению с обработкой инструментом из быстрорежущей стали. При замене абразива алмазом иноке уменьшается шероховатость;
I — жесткости технологической системы.
| Значения шероховатости и волнистости зависят от вибрации элементов технологической системы, под воздействием которой изменяется положение режущей кромки инструмента относи-1сльно обрабатываемой поверхности, что приводит к образованию впадин и выступов.
Шероховатость поверхности также взаимосвязана с точно-иыо и способом обработки. Значения шероховатости в зависимости от точности и способа обработки приведены в табл. 4.2.
Каждому способу обработки соответствуют определенные профиль шероховатости и свойства несущей поверхности. Точения или расточенная поверхности имеют островершинный профиль и небольшую несущую способность. Большой несущей 1 нособностыо обладает поверхность, обработанная методом пла-ыпческой деформации, вследствие большего радиуса округления вершин микронеровностей и высокого коэффициента за-н< чтения микропрофиля металлом.
На величину и глубину наклепа также оказывают влияние i иловые и тепловые факторы, поэтому микротвердость по глубине поверхностного слоя может быть различна.
133
л
Таблица 4.2. Показатели качества при различных методах обработки
Способ обработки Ra, мкм Квалитет точности
Точение: предварительное чистовое тонкое (алмазное) 12,50 1,25-2,50 0,32-0,63 12-14 7-9 6
Фрезерование цилиндрической фрезой: черновое чистовое тонкое 25-50 3,20-6,30 1,60 12—14 11 8-9
Фрезерование торцовой фрезой: черновое чистовое тонкое 6,30-12,50 3,20-6,30 1,60 12-14 И 8-9
Сверление отверстий диаметром: до 15 мм свыше 15 мм 6,3-12,50 12,50-25 12—14 12-14
Рассверливание 12,50-25 12-14
Зенкерование: черновое чистовое 2,50-25 2,50-6,30 12-15 10-11
Развертывание: предварительное чистовое тонкое 2,50-6,30 0,63-1,25 0,32 9-Ю 7-8 7
Растачивание: черновое получистовое чистовое тонкое 50-100 12,50-25 1,60-3,20 0,40-0,80 15-17 12-14 ' 8-9 7
Протягивание: получистовое чистовое тонкое 6,30-12,50 1,60-3,20 0,32-0,80 9-Ю 7—8 7
Шлифование круглое: получистовое чистовое тонкое 3,20-6,30 0,80-1,60 0,20-0,40 8-11 6-8 5
Шлифование плоское: получистовое чистовое тонкое 3,20 0,32-0,63 0,20-0,08 8-11 6-8 6-7
Обкатка и раскатка роликами и шариками 0,40-1,60 6-9
Хонингование: плоскостей цилиндров 0,10-0,32 0,05-0,20 7-8 6-7
134
Поверхности, образующиеся на деталях всеми известными -шнгобами обработки, вследствие неоднородной пластической информации нерегулярны, хаотичны, что затрудняет, а часто деме i невозможным решение задачи оптимизации микрорельефа шшерхности, минимизации ее площади. Таким образом, одной н । важнейших проблем в области качества поверхности является |иыскание методов обработки, обеспечивающих возможность • |(1|мзования на поверхности деталей регулярных, тонко управ-|»1смых, аналитически рассчитываемых микрорельефов.
Наиболее совершенным и универсальным методом образования регулярных микрорельефов в настоящее время является предложенный и разработанный Ю.Г. Шнейдером [7] метод инбрационного накатывания, основанный на тонком пластиче- ком деформировании поверхностных слоев металла и сложном •нносительном перемещении обрабатываемой поверхности и деформирующего элемента.
За счет одновременного, независимого варьирования значений большого числа параметров режима вибрационного накаты-ii.ilшя становится возможным образование регулярных микро-рспьефов различных видов. При этом практически в неограниченных пределах изменяются и регулируются значения как < ищдартизованных, так и нестандартизованных геометрических параметров качества поверхности.
При этом не только улучшаются эксплуатационные характеристики пар, но и снижаются требования к шероховатости поверхности, исключаются из технологического процесса трудоемкие и дорогостоящие операции (доводка, шабрение, хонингование, допирование, покрытия, термическая обработка). Следовательно, сокращается цикл изготовления деталей и снижается стоимость обработки, упрощается конструкция деталей (исключаются масляные ынавки, упорные бурты в неподвижных соединениях, дополни-юльные крепления к прессовым соединениям и др.).
Особенности процесса вибронакатывания:
— независимое регулирование шага и высоты неровностей, 'о неосуществимо при резцовой и абразивной обработке;
— независимое регулирование направления канавок или вы-упов полностью нового микрорельефа;
— образование микрорельефов с радиусами скруглений вы-улов и впадин на один-два порядка большими, чем при всех вестных способах обработки, с малыми углами наклона — пегими неровностями, с предельно малой длиной линии профи-
135
ля; при этом число выступов и впадин неровностей на единице площади может рассчитываться и выдерживаться с практически абсолютной точностью.
Технологические и метрологические отличия регулярных микрорельефов от шероховатости поверхностей деталей машин и приборов определяют и особенности решения в целом проблемы качества поверхности во всех ее четырех аспектах: нормирование конструктором геометрических параметров качества поверхности, технологическое их обеспечение, контроль и стандартизация. Эти особенности сводятся к следующему.
Поскольку регулярные микрорельефы (как с системой канавок, так и полностью новые), создаваемые способом вибрационного накатывания, отличаются от традиционных, образуемых при всех других способах обработки, однородностью всех геометрических параметров, строго функционально связанных с параметрами режима, практически впервые конструктор получает возможность нормировать параметры микрорельефа, задавая их на основе аналитических расчетов или эксперимента через параметры режима вибрационного накатывания. Это первая особенность решения проблемы качества поверхности с регулярным микрорельефом.
При образовании регулярных микрорельефов появляется возможность нормирования и технологического обеспечения таких аналитически рассчитываемых геометрических параметров, как число выступов и впадин на единицу поверхности, длина профиля, коэффициент заполнения, радиус выступов и впадин, являющихся во многих случаях основными, определяющими эксплуатационные свойства поверхностей (например, фактическую площадь контакта твердых тел, отражательную способность, гидроплотность, сопротивление коррозионному растрескиванию, электрическую прочность и пр.). Это вторая особенность решения проблемы качества поверхности с регулярным микрорельефом.
Поскольку значения параметров регулярного микрорельефа с высокой точностью воспроизводятся при данном режиме вибрационного накатывания, исключается необходимость их измерения с помощью приборов или эталонных образцов. Достаточен контроль лишь параметров режима вибрационного накатывания. Это третья особенность.
Имеются все предпосылки для дополнения комплекса параметров стандарта на регулярные микрорельефы следующими параметрами: радиусами скругления выступов и впадин неровностей, углом наклона образующей выступа, коэффициентом заполнения, длиной линии профиля. Это четвертая особенность. 136
Анализ перечисленных особенностей свидетельствует не юлько о новизне подхода к решению проблемы качества поверхности, но и о его прогрессивности, поскольку повышаются lO'inocTb и надежность нормирования конструктором и техноло-। пчсского обеспечения технологом качества поверхности; значи-н’льно упрощается и удешевляется его контроль; на качественно новый, более высокий уровень поднимается значение стандарта пи шероховатость поверхности. Все это облегчает решение задачи повышения качества промышленной продукции.
4.6.1. Образование регулярных микрорельефов пи поверхностях деталей
Опыт эксплуатации машин, приборов, аппаратов убедительно показывает, что качество, надежность, долговечность зависят от характера контактирования сопрягаемых деталей друг с другом пни с жидкой, газовой или другой средой, определяемого состоянием поверхностного слоя контактирующих деталей. Поэтому оптимизации качества находящихся в контакте поверхностей уделяют в последнее время все большее внимание. Особенно следует выделить оптимизацию микрогеометрии контактирующих поверхностей. Решение этой задачи сложно, что обусловлено двумя факторами: многообразием технических контактов и контактных явлений; сложной взаимосвязью служебных свойств контактов с микрогеометрией контактирующих поверхностей.
В табл. 4.3 приведены различные виды поверхностного взаимодействия твердого тела с твердым телом, газом, жидкостью и плазмой, сопровождающие их явления и взаимосвязь контактных явлений с различными параметрами шероховатости поверхности и регулярных микрорельефов. Однако помимо этих обших объективных факторов, определяющих сложность и трудность решения задачи оптимизации микрогеометрии контактирующих поверхностей. есть еше один фактор, усугубляющий эти трудности: иррегулярный, даже хаотичный характер микрорельефа поверхностей, образующихся при применении большинства традиционных способов финишной обработки, основанных на отделении от обшей массы частиц обрабатываемого материала. К таким способам относятся абразивная, резцовая, электрофизическая обработки и некоторые способы обработки давлением, например, прокатка и волочение, при которых на обработанных поверхностях микрорельеф образуется как негативный отпечаток микрорельефа рабочих поверхностей инструмента (соответственно прокатных валков и фильер) после их шлифования или абразивной доводки.
137
Таблица 43 Различные виды поверхности взаимодействия твердого тела
Взаимодействие с твердым телом Параметры микрогеометрии Параметры микрогеометрии Стазом Параметры микрогеометрии
Трение качения и скольжения 4, г, Rz, Ra, Смачивание ф, а. г’. Кг Адсорбция Ra.S,r’J
' л. /._ R.N. 7k У. 13 R, N, Тр
Статическое и динамическое нагружения 4 со, Rz tp Отражение, преломление электромагнитных волн Rmax, 0, -S', СХ Теплопередача, передача импульса Кт. Ф.ш. а
R,N, Tp,y,p R.N, Г„Л₽ R,N,Tp,y,$
Теп чопередача Я, Rz, <о, 4 Электропровод-иость, гальванические явления <р, г’, а. Отражение, прелом-ление электромагнитных волн Rm. о. .S', а
R,N,T„ к, Л'. Т„, у, ₽ R,N,Tp,y,p
Отражение, преломление электромагнитных волн #т, c, S, а Электризация Ф. /. Кк» Эмиссия электронов г. <р, Л1, а
R.N, ГрлР R, N, Тр Л, А, Тр, L, Р
Электро!1роводность Г, Кг, <0. /„ Коррозия Ra.r'.S Взаимодействие с электронными пучками
R.N.T, R, N, Тр
Электризация г, <0, tD Ra,r’,Tp Электризация Ф,-S', I
R,N,T„ R,N,TP
Обозначения Tta — среднее арифметическое отклонение профиля, Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам; Л11ПХ — наибольшая высота неровностей профиля, S— средний шаг неровностей по вершинам, ^ — относительная опорная длина профиля, г — радиус закругления вершин неровностей, г' — радиус закругления впадин неровностей, а — угол наклона образующих неровностей, ы — число неровностей на единицу площади, о — коэффициент неоднородности, q> — угол, определяющий направление неровностей, L — истинная длина профиля, R — высота элементов регулярного микрорельефа, Л''— число элементов регулярного микрорельефа на единицу поверхности, а, Р — направления расположения элементов регулярного микрорельефа
4 6 I. Классификация регулярных микрорельефов и in особенности
('хема процесса вибронакатывания, предопределяющая его ►пнематику и возможность варьирования всех параметров режима весьма тонко и в значительных пределах даже при ступенчатом изменении частоты вращения заготовки и подачи де-* формирующего элемента, обусловливает возможность варьиро-линия видов создаваемых регулярных микрорельефов и значений всех их параметров. Это определяет необходимость доста-to'iiio полной и строгой классификации регулярных микро-ргчьефов. В основу предложенной автором классификации понижены целевое назначение, эксплуатационные свойства и । нособ технологического обеспечения образования микрорельефа того или иного вида.
Классификация, приведенная на рис. 4.10, расширена по сравнению с рассмотренной в первом издании книги за счет класса выпуклых микрорельефов Микрорельефы с элементами цыпуклой и вогнутой формы (рис. 4.11) отличаются целевым напылением поверхностей, на которых они образованы, эксплуа-пщионными свойствами этих поверхностей и технологией их образования.
На рис. 4.11 показаны профилограммы элементов выпуклой и вогнутой форм и внешний вид таких поверхностей.
Н 1'
[Регулярные I кткрорельефы|
(Сэлементами I вогнутой формы)
Классы
Группы
|С элементами I выпуклой формы)
Нькаса-! ||>щиеся| Вид t |
(Система! I Полностью новые I
канавок] | микрорельефы |
I - | I1- Т В1И“ г
IСинусов- Некаса- Касаю-1 дальние1
ВидУ
-1 Типы
ющиеся Вид]
Система! ]Полностью новые I
канавок | | микрорельефы j
=JГ .............1 '
-11Пересека-1|Сетча- Синусои-щиесяи ющиеся 1] тые Вид Ц Ц Вид III ||Вид1У
дальние
ВпдУ
Шести- Четырехугольного! типа I
>го
Шести- II Четырехугольного [ктольного типа Д| типа
Рис. 4.10, Классификация регулярных микрорельефов
Рис. 4.11. Профилограммы и внешний вид элементов
а — выпуклой и выгнутой формы, б — вид элементов в сечении, в — профилограммы поверхностей с элементами выпуклой и вогнутой формы, г — вид поверхностей с элементами выпуклой и вогнутой формы в плане
Особенности выпуклых микрорельефов.
Поверхности первой группы с системами определенным образом расположенных выступов, образованные прокатными валками с системами канавок, подразделяются только на три вида. I — с некасающимися, II — с касающимися, III — с пересекающимися выступами.
Граничные условия образования каждого вида микрорельефа и регулирования значений их параметров, а также зависимости между этими значениями и параметрами режима вибронакатывания прокатных валков приведены ниже. Величина радиуса сферической части выступов определяется величиной радиуса деформирующего элемента, образующего канавки на прокатных валках
Ко второй группе микрорельефов поверхностей с выпуклыми элементами относятся регулярные микрорельефы, отличающиеся большой величиной радиуса скругления вершин неровностей (рис. 4.12), близкой величине радиуса деформирующего элемента, образующего канавки на прокатных валках. Так, при вибронакатывании прокатных валков сферическим алмазным наконечником с радиусом сферы, равным 1,5 мм, образуется полностью новый регулярный выпуклый микрорельеф с радиусом скругления вершин неровностей несколько большим 1500 мкм При прокатке фольги и мягких пластичных металлов в незакаленных стальных валках, вибронакатанных шарами радиусами 4, 6, 8, 10 мм, создавались регулярные микрорельефы с радиусами скруглений выступов неровностей соответственно равными 4000, 6000, 8000 и 10 000 мкм В зависимости от микрорельефа валков полностью микрорельефы подразделяют на сетчатые IV и синусоидальные V Сетчатые микрорельефы могут быть шести-и четырехугольные (рис 4.13, в).
140
a |-< »•! Линия выступов
Рис 4 12 Профилограмма поверхности с регулярным выпуклым микрорелье фом холоднокатаного листа в направлении
а — продольном б — поперечном (вертикальное увеличение 2000х горизонтальное — 80х) в — вид поверхности с четырехугольным выпуклым микрорельефом
Рис 4 13 Схемы и профилограммы поверхностей с системами канавок и с регу лярным микрорельефом
141
При синусоидальном микрорельефе линии центров образующих его канавок не пересекаются, однако канавки при последовательном наложении друг на друга образуют полностью новый микрорельеф.
Классификация поверхностей с элементами вогнутой формы (см. рис. 4.10) по группам, видам и типам идентична классификации поверхностей с выпуклыми элементами.
Регулярные микрорельефы подразделяют на две группы:
— с системой регулярно расположенных канавок, между кото--рыми остаются участки исходной поверхности (см. рис. 4.13, а—в).
На рис. 4.13 показан полностью новый сетчатый микрорельеф вида IV двух типов: шестиугольный (см. рис 4.13, г), четырехугольный (см. рис 4.13, д).
На рис. 4.14 приведена схема образования на внутренней цилиндрической поверхности микрорельефов различных видов. Она иллюстрирует принцип управления образованием регулярных микрорельефов варьированием режима процесса вибронакатывания.
Наиболее часто используют поверхности со следующими видами канавок:
— с непересекающимися (вид Г);
— касающимися (вид И);
— пересекающимися (вид ИГ);
— синусоидальными.
Рис. 4.14. Схема образования регулярных микрорельефов различных видов
142
П
\ Аналитические зависимости условий образования микро-гсльефов с системами канавок различных видов, выведенные ЯС. Фельдманом, определяют границы каждого вида.
I Условие образования микрорельефа вида 1 с системой непе-ресекаюшихся канавок:
S> 2(р + esin n{i}),
f нс S — подача инструмента; р — половина ширины единичной канавки, образуемой инструментом; е — эксцентриситет; {/} — пробная часть отношения числа двойных ходов инструмента к частоте вращения обрабатываемой заготовки.
Условия образования микрорельефа вида /7 с касающимися м цавками:
2(р — е sin л{4) < S < 2(р + е sin л{$),
S>2e sin л{/}.
Условия образования микрорельефа вида Ш с системой пересекающихся канавок:
О < <$ < 2е sin л {/},
S>2(p + е sin л{Я).
С увеличением ширины канавки и уменьшением подачи S большая часть исходной поверхности будет перекрываться новым микрорельефом. При выполнении первого условия S < 2р(1 — Н4|) на поверхности образуется полностью новый ре- улярный микрорельеф.
Поверхности с системой канавок, методы и средства их измерения достаточно хорошо изучены и освещены Рассмотрим условия образования полностью нового регулярного микрорельефа Эти условия исследовались Р.У. Назировым, Б.Н. Букиным, В.А. Забродиным, Ю.П. Кузьминым и В.И. Сорокиным.
В случае, когда линии центров канавок, образующих регулярный микрорельеф, пересекаются, выполняется второе условие
S< 2е sin л{/},
и накладываемые друг на друга канавки перекрывают всю обрабатываемую поверхность заготовки. Образуется сетчатый микрорельеф, каждый элемент которого имеет форму, близкую к шес-шуголыюй или четырехугольной (см. рис. 4.13).
143
а
Рассмотрим условия образования различных типов регулярного микрорельефа сетчатого вида при следующих принятых ограничительных условиях: 1) радиус сферы деформирующего элемента значительно меньше радиуса заготовки; 2) амплитуда осцилляции деформирующего элемента равна величине эксцентриситета приводного эксцентрика осцилляционного движения, 3) границы выдавливаемых канавок, формирующих элемент регулярного микрорельефа в синусоидальном виде
-------1-2пп{/} +/г35, ^ДВХ---/
где Т^вх —период осцилляции деформирующего элемента; «э — частота вращения заготовки; 5— подача; е — эксцентриситет приводного эксцентрика осцилляционного движения деформирующего элемента; {/}—дробная часть отношения «дах/^» «двх — частота осцилляции деформирующего элемента
Схематическое изображение механизма формирования сетчатых микрорельефов четырехугольного и шестиугольного типов приведено на рис. 4.15. За исходную канавку нулевого индекса принята канавка, проходящая через начало координат. Канавки, расположенные выше нулевой, имеют положительные индексы, ниже — отрицательные. Элемент регулярного микрорельефа, впа-
Рис. 4.15. Схемы формирования сетчатого микрорельефа
144
mil1.1 которого образована частью канавки нулевого индекса, ог-рл ничей шестью гранями, образующимися при пересечении капп in и нулевого индекса с канавками и-го индексов. В точках uq течения формирующих граней с этими индексами образу-цепи выступы — максимальные по высоте неровности элемен-иhi рс!улярного микрорельефа шестиугольного типа (см. рис. th б). Четырехугольный тип (см. рис. 4.15, а) регулярного •икрорельефа можно рассматривать как частный случай шести-«Н1ЫЮГ0, образующийся в случае, когда формирование элеми ы регулярного микрорельефа завершается одной канавкой io индекса.
1.1КИМ образом, если класс регулярного микрорельефа опре-1. ш 1ся технологией его образования, то группа, вид и ши режимом процесса вибронакатывания. На рис. 4.16 графи । с ки представлены граничные условия создания регулярных ши рорельефов различных групп и видов.
()собенности регулярных микрорельефов. Основные недостатки фалиционных способов финишной обработки деталей машин и приборов, определившие создание нового направления в । инюи области — регуляризацию микрорельефов поверхностей, НОЛЯ1СЯ к следующему:
высокая степень неоднородности (нерегулярность) обра-.шщихся микрорельефов в отношении формы, размеров и ып нерасположения;
в большинстве случаев неблагоприятная форма образующихся неровностей шероховатых поверхностей: заостренные <<ы< <упы и впадины с малыми значениями радиусов г (выступов)
Рис. 4.16. Граничные условия образования различных видов регулярного , { микрорельефа
145
и г' (впадин) и относительно большой величиной угла наклон® их образующих; ^1
— относительно малая несущая способность поверхностен обусловленная заостренной формой неровностей, и соответс! вен но малая опорная поверхность при начальных сближения контактирующих поверхностей в процессе их приработки < большой приработочный износ; А
— чрезмерно большая фактическая площадь контакта высо коточных поверхностей с Ra < 0,1 мкм и малая их маслоемкостъ;
— ограниченные возможности управления образованием по верхностей с различным соотношением высоты, формы и рас положения неровностей поверхности;
— шаржирование в поверхностный слой абразивных части! при абразивной обработке.
Перечисленные недостатки большинства способов финитно! обработки резанием и давлением затрудняют, а в ряде случаев до лают невозможным решение следующих важных, связанных < обеспечением требуемого качества машин и приборов задач:
— оптимизация микрорельефа рабочих поверхностей детале! машин для различных, непрерывно расширяющихся и услож няющихся условий их эксплуатации;
— оптимизация микрорельефа за счет нормирования и тех нологического обеспечения параметров качества поверхности;
— применение расчетных методов нормирования и технологического обеспечения геометрических характеристик качеств! поверхности;
— безаппаратный контроль микрогеометрии поверхностей;
— исследование и выявление зависимостей между различны ми геометрическими параметрами качества поверхности и и] эксплуатационными свойствами.
Важность и актуальность этих задач определяют поиск и вы-полнение широкого фронта работ по совершенствованию способов финишной обработки деталей машин и приборов во всех передовых промышленных странах, создание принципиально новых отделочно-упрочняющих операций, образующих поверхности с микрогеометрией, свободной от перечисленных недостатков.
Микрорельеф вибронакатанной поверхности образуется как след движения участка деформирующего элемента, контактирующего с обрабатываемой поверхностью. Поскольку этот след фактически полностью определяется кинематикой движения деформирующего элемента, пластически деформирующего хаотично расположенные неровности исходной поверхности загоне
iHi.ii, создается новый регулярный микрорельеф со строго за-пцпмерно расположенными относительно друг друга неровно-i'Imh одинаковой формы и размеров (см. рис. 4.12). В процессе нппропакатывания создается благоприятная практически для нмч условий эксплуатации форма неровностей регулярных мик-1«»рс и ьефов, характеризуемая пологой формой выступов и впа-’ ши I радиусами на 1—2 порядка большими, чем при обработке ..... и соответственно большей величиной опорной по-»“1»м1ости как исходной после вибронакатывания, так и в при- "к и очный период (см. рис. 4.11 и 4.12).
< 1рогая кинематическая связь между параметрами режима чтиесса вибронакатывания и параметрами регулярного микро-1«111П,ефа определяет возможность расчетного нормирования, тех-цинического обеспечения и безаппаратного контроля поверх-....си с регулярным микрорельефом.
11«скольку в основе способа вибронакатывания в отношении • исиствия на обрабатываемый материал лежит холодная пла-шческая деформация со свойственными ей особенностями и •нс юинствами, все они могут быть распространены и на этот •рппесс, и на физико-механические свойства образуемого им кшерхностного слоя материала. Отсутствие перерезания воло-• HII металла, незначительный нагрев его поверхностного слоя, нцючнение за счет наклепа и сжимающих напряжений, отсутст-nik* шаржирования в поверхностный слой инородных час-iitn - все эти позитивные свойства характерны для вибронака-1Н1ШЫХ поверхностей.
( ложная кинематика процесса вибронакатывания определя-н1 п его интенсификацию в отношении упрочнения; степень упрочнения при прочих равных условиях по сравнению с вдавли-iitiiiueM деформирующего элемента в неподвижную и во вра-ншющуюся заготовку (при вибронакатывании наибольшая), что щч ьма важно при обработке мало- и неравножестких деталей, нс выносящих» приложения значительных давлений.
Гаким образом, при создании регулярных микрорельефов •ншмизация качества поверхности деталей возможна как за ин геометрических, так и физических параметров. Анализ viiiiiocth и особенностей регулярных микрорельефов свиде-• 'iibCTByeT о том, что практически все недостатки, свойственные Ч1*роховатым поверхностям деталей машин и приборов, в этом •iV'iae исключены. Именно эти особенности и достоинства по-ноляют успешно решить шесть перечисленных выше задач, оп-гиспяющих совершенствование нормирования микрогеометрии
147
конструктором, технологического ее обеспечения технологом,' переход в том и другом случае на расчетные методы, переход на безаппаратный контроль микрогеометрии на новый уровень ее, стандартизации. «
4.6.3. Эксплуатационные свойства деталей I
с регулярным микрорельефом
В последнее время в нашей стране и за рубежом было проведено большое число исследований, лабораторных и эксплуата-. ционных испытаний экспериментальных образцов и различных, деталей машин с регулярным микрорельефом, выявивших но-' вые их эксплуатационные свойства, практически во всех случая» более высокие по всем показателям, чем у деталей, обработан ных известными традиционными способами. Были выявлены широкие возможности оптимизации микрогеометрии поверхно ста и на этой основе управления многими контактными явлс ниями, в частности, при решении задач повышения качества и-надежности машин и приборов.
Трение и износ — одно из наиболее сложных явлений при работе машин и приборов. Процессы трения и износа определяют все важнейшие эксплуатационные характеристики машины или прибора.
Выдвинуто много гипотез, предложены различные теории и классификации видов трения, подчас противоречивых как в ис-! ходных положениях, так и в объяснении частных явлений, сопровождающих процессы трения и износа. Однако все исследователи единодушны в одном — в оценке микрогеометрии трущихся поверхностей как одном из решающих факторов, обусловливающих* практически все аспекты и характеристики явлений трения и из* носа. Это подтверждено исследованиями трения многих видов износа поверхностей, обработанных вибронакатыванием, поскольку при вибронакатывании вследствие упругого контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью фактически не происходит изменения макрогеометрии и волнистости исходной поверхности. Влияние микрогеометрии удавалось выделить и выявить с достаточно высокой точностью «в чистом виде».
Высокая степень однородности микрорельефа вида IV и цд участках канавок и наплывов микрорельефов видов I—III позволили четко определить зависимость трения и износа от различных характеристик микрорельефа, а также оперировать такими расчетными параметрами микрогеометрии, как площадь, объем 148
к расположение канавок, число выступов на единицу поверхно-11 и и др. Эти особенности вибронакатанных поверхностей обу- ловили несколько необычное рассмотрение их трения и изно-• п Исследования ставили целью выявить в первую очередь та-। не свойства поверхностей с регулярным микрорельефом, как прпрабатываемость, сопротивление трению (характеризуемое 1 о >ффициентом трения, возникающими силами трения и температурой в зоне трения), сопротивление износу и схватыванию Протекание процесса изнашивания во времени характеризуется 1ремя основными фазами: приработочный начальный износ, нормальный износ, предельный (катастрофический) износ.
Прпрабатываемость. Особенности приработочного износа: относительно большие контактные давления, обусловленные малыми площадями контакта микронеровностей трущихся поверхно-t |еи, интенсивная деформация микронеровностей в результате Н1менения их формы, размеров, а иногда и расположения; высокий темп износа и нарастание температуры в зоне трения.
Приработка определяет:
J величину общего износа;
^темп и величину нормального износа;
^образование натиров, задиров, вырывов на приработанных поверхностях, а также схватывание, заедание в процессе нормального износа;
J размещение и расход смазочных веществ;
^температуру в зоне трения.
Таким образом, приработка — важнейший этап для трущих-с,и деталей, определяющий условия, характер их работы после приработки и длительность сохранения рабочих функций. Важна и способность трущихся поверхностей прирабатываться — прпрабатываемость.
Микрорельеф приработанной поверхности по сравнению с исходной характеризуется большей однородностью по высоте микронеровностей, большей опорной поверхностью, увеличенным числом пятен контакта с сопряженной поверхностью. Характеристикой микрорельефа, наиболее точно и полно отражающей прпрабатываемость поверхности, является величина опорной поверхности.
Используя возможности процесса вибронакатывания — образование поверхностей с микрорельефом, отличающимся большой опорной поверхностью при достаточной ее маслоемкости и пысокой степенью однородности неровностей, а также возможность тонкого регулирования величины опорной поверхно-кж 149
сти — удалось особо четко показать значение оптимизации микрорельефа как основного фактора, определяющего прирабаты-ваемость поверхностей. Для отдельных пар трения были отработаны микрорельефы, при которых приработка практически отсутствовала и с первого же момента работы начинался процесс нормального износа.
Длительность приработки определяется временем от начала работы трущейся пары до момента начала установившегося (нормального) износа или предложенным способом — до момента перехода граничного трения в жидкостное.
Первый способ недостаточно точен, но осуществим в любых условиях проведения исследований на износ, второй —более объективен и точен. Сущность второго способа состоит в том, что испытуемые образцы 1 и 3 (рис. 4.17, а), электрически связанные с сигнальным устройством 5 и регистрирующим прибором 4, подвергаются трению исследуемого вида в условиях обильной подачи смазывающей жидкости 2 в зону контакта образцов. В начальный момент контакты испытуемых образцов электроцепи сигнального и регистрирующего устройств замкнуты (см. рис. 4.17, б), загорается сигнальная лампа, включаются электрочасы. В момент окончания приработки, когда опорные поверхности трущихся образцов настолько возрастут, что исходное давление окажется недостаточным, чтобы прорвать образовавшуюся между ними масляную пленку, контакт между ними нарушается, и выключается сигнальная лампа и электрочасы (см. рис. 4.17, в).
Исследование прирабатываемости описанным способом производилось на паре полукольцо из бронзы (ОС 5-25) — стальной валик (стали 50 и У10А) диаметром 8 мм на длине 10 мм Отверстие растачивалось (в кольце) по шестому классу шерохо-
Рис. 4.17. Схема испытания трущихся поверхностей на приработку
150
юности (RZhcx ~ 2,6 мкм); валики обтачивались, шлифовались, кнюдились, обкатывались и вибронакатывались шаром. Высота неровностей у образцов колебалась в пределах 1,2 — 2 мкм. Испы-ншия производили на специально приспособленном токарном • ыике по схеме (см. рис. 4.17, а). Образцы-валики устанавливались в центрах без хомутика, а полукольцо — в специальном \иройстве, обеспечивающем самоустанавливаемость полукольца относительно валика, и поджималось при помощи тариро-1Щ1П1ОЙ пружины.
Обильная смазка (веретенное масло) подавалось в зону контак-ш насосом станка. Частота вращения валика составляла 2,1 рад/с, нилие обкатывания — 150 Н. Длительность приработки опреде-шлдсь описанным способом, а износ — по изменению массы оьразцов, высоты исходных неровностей и диаметрального размера образцов.
Результаты исследования иллюстрируются диаграммой (рис. 11 К). Как видно из диаграммы, длительность приработки образно», обработанных давлением, существенно меньше, чем обрати анных резанием; приработочный износ оказался меньшим у поверхностей, обработанных давлением.
Увеличение износостойкости в процессе приработки объясняйся упрочнением поверхностного слоя, темп приработки в результате упрочнения должен был уменьшиться, однако он воз-
151
рос. Это объясняется преобладающим влиянием микрорельефа : однородности размеров и благоприятной формы неровностей н темп и длительность приработки по сравнению с упрочнением
Длительность приработки и износ оказались тем менылс чем больше был радиус закругления вершин неровностей и выше степень их однородности по высоте. Как видно из рис 4.18, длительность приработки и износ в зависимости от спосо ба обработки уменьшаются в последовательности: шлифование точение, обкатывание, вибронакатывание. Значение радиуса за кругления вершин микронеровностей возрастает: 16 мкм прн шлифовании, 100 мкм при точении, 800 мкм при обкатывании и 4300 мкм при вибронакатывании. В такой же последовательно сти (если не считать, что однородность шероховатости шлифе ванной поверхности несколько выше обточенной) располагаю! ся эти поверхности в отношении однородности размеров и фор мы их неровностей. Зависимость между сопротивлением схва тыванию и различными микрогеометрическими параметрами, -первую очередь характеризующими величину опорной поверх, ности и соответственно величину фактической поверхности контакта прирабатывающихся поверхностей и контактное давление, нелинейна.
На рис. 4.19 приведен график зависимости сопротивлений схватыванию при трении со смазкой и всухую от опорной поверхности. Такой характер зависимости и решающее влияния формы и однородности неровностей обусловлены самой природой явления схватывания.
На участках неоднородной по шероховатости поверхности ( выступающими заостренными неровностями (с малыми радиусами вершин выступов) возникают мгновенные, огромные па величине контактные давления, что сопровождается выделениех большого количества теплоты и приводит I pv, (мпа м/с) образованию первоначально микроучаок!
схватывания, лавинно распространяющегося по поверхности трения.
2,4' / \ При чрезмерно большой площади коп-
У о такта высокочистых трущихся поверхностей|
1,7. отличающихся пониженной маслоемкостыо
V, м/мин
Рис. 4.19. Зависимость сопротивления схватыванию (ш« висимость нагрузки при схватывании pV от скорое i И вибронакатывания V) от микрорельефа трущихся лен верхностей.
1 — со смазкой, 2— всухую
152
। при работе со смазкой), главную роль начинают играть явления пне ши и молекулярного сцепления. Это подтвердилось резуль-•шими исследования стендовых и ходовых испытаний пар трепан двигателей внутреннего сгорания. Так, стендовые и полевые пгш»! гания, проведенные Ю.С. Дворяновым на двигателях М( Д-14 тракторов Д-75, показали следующее. Гильзы, обработанные вибронакатыванием с последующим сульфидированием, по ршшению с серийными гильзами прирабатывались в 2—3 раза бы-i|k*e, при этом интенсивность приработочного износа уменыии-ш( в в 1,3—1,5 раза. Оптимальным в отношении прирабатываемости искался микрорельеф вида 1с площадью канавок FK — 30—35 % от ж ей обработанной вибронакатыванием поверхности.
Все остальные эксплуатационные характеристики двигателя । мощность, компрессия, герметичность сопряжения пары гиль-ш кольцо, угар масла) сохранялись или несколько улучшались.
Во всех случаях независимо от существенно различных схем и условий трения оптимальные значения площади FK, занимаемо! । выдавленными канавками, не выходили за пределы 25—45 %. При меньших значениях FK недостаточна маслоемкость трущих-. и поверхностей, при больших — чрезмерно уменьшается их не-|’Vi пая способность.
Насколько существенно может влиять на темп и характер приработки оптимизация микрорельефа лишь одной из труших-। и поверхностей, видно из сопоставления кривых зависимости uiiioca от времени испытания (рис. 4.20).
Как видно из рис. 4.20, в результате создания на внутренней поверхности стального кольца (HRC 61—63) системы канавок пила И (FK = 25 %) длительность приработки пары кольцо — бе-
Рис 4.20. График зависимости приработки и износа от длительности испытания колец прядильных машин
/ — полированных, 2 — вибронакатанных
153
гунок резко сократилась, а первоначальный износ латунного бегунка снизился в 4—5 раз.
Для приработочного периода взаимодействия деталей пар трения характерны наиболее тяжелые условия в отношении силы трения, температуры в зоне контакта. Этот период наиболее опасен в отношении появления таких патологических видов трения, как образование на сопрягаемых поверхностях натиров, задиров, их схватывания. Условия дальнейшего, после приработки, взаимодействия контактирующих поверхностей в значи тельной степени зависят от того, произошла ли она без этих негативных явлений или сопровождалась образованием натиров, задиров или местного схватывания. Результаты многолетних исследований пары гильза — поршневое кольцо двигателей внутреннего сгорания показали, что в первом случае даже после того, как вибронакатанные канавки «сработались» и исчезли, период нормального износа протекает более спокойно по всем показателям (колебания усилий, коэффициент трения, температура в зоне контакта), чем приработка, сопровождающаяся образованием на поверхностях дефектов. Именно это определяем большое значение оптимизации исходной (технологической) микрогеометрии поверхностей трения.
Трение и износостойкость. Исходный микрорельеф трушихся поверхностей определяет не только качество, длительность приработки и первоначальный износ, но и темп последующего нормального изнашивания. Это обусловлено не только дискретностью контактирования трущихся поверхностей, но и связано с решающим влиянием на их изнашивание таких факторов, как несущая поверхность, маслоемкость ее при работе со смазкой, объем и расположение масляных карманов относительно направления трения, способность удерживать твердые частицы, локализуя их действие и снижая абразивный износ. Названные факторы, оказывая решающее влияние на скорость изнашивания, определяют и другие характеристики трения: коэффициент трения, силы внешнего трения при всех видах фрикционных связей (скол, пластическое оттеснение, упругое деформирование, адгезионное и когезионное разрушения).
Высокая степень регулярности микрорельефов, создаваемых вибронакатыванием, облегчает исследование отдельно и в совокупности влияние всех параметров микрогеометрии на все характеристики трения и, в частности, на коэффициент трения, толщину масляной пленки, силы трения, температуру в зоне трения, нормальный износ.
154
Коэффициент трения. Большое число исследований посвяще-1о выявлению взаимосвязи коэффициента трения с микрогео-№1рией трущихся поверхностей. Однако практически во всех ;лучаях устанавливались лишь зависимости между коэффициен-1<»м трения и высотой неровностей трущихся поверхностей. Это |бьясняется тем, что применяемые в промышленности способы сработки не обеспечивали возможность варьирования формы и жяоложения неровностей при одной и той же их высоте в гколь-либо значительных пределах. Даже различие между формой и расположением неровностей, образующихся при различных способах чистовой обработки резанием, в пределах одного и юго же класса шероховатости относительно велико.
Значительно отличаются в отношении формы образующихся неровностей способы чистовой обработки давлением — обкаты-па ние роликами и шарами. В то же время известно, сколь суще-L*i пенно влияние этих факторов, в частности, на величину коэффициента трения.
Из формулы
7 N Р
1ндно, что коэффициент трения пропорционален фактической площади касания (Л), которая находится в прямой зависимости Di отношения радиуса единичного выступа г к максимальной Высоте неровностей Rmax: чем меньше радиус закругления выступа, тем меньше толщина находящейся на нем смазочной пленки (рис. 4.21, б). Столь же значительно влияние на коэффициент । рения расположение неровностей относительно направления пиижения трущихся поверхностей (см. рис. 4.21, а). Как видно ш графика, коэффициент граничного трения увеличивается с повышением нагрузки, что соответствует условиям смешанного контакта.
Коэффициент трения без смазки определялся при испыта-
нии пары образцов: втулка из антифрикционного чугуна марки
АСЧ1
(HRC 74-
-80) и диск из нормализованной стали 45 (HRC
94 -97) диаметром 40 мм, шириной 12 мм. Поверхность трения валика была обработана шлифованием (Ra = 0,70—1,25 мкм),
поверхности трения — отверстия втулок обработаны растачиванием, развертыванием, протягиванием, вибронакатыванием (Ra — 1,3—2,0 мкм) и прошиванием выглаживающей прошивкой (Ra 0,63 мкм).
155
Рис. 4.21. Зависимость коэффициента трения / от нагрузки Р при совладении J в не совпадении 2 направления следов обработки с направлением движения трения (с) и толщина слоя смазки И при различном радиусе закругления неровностей (б)
Исследование проводилось при давлениях 0,196, 0,294 и 0,392 МПа и постоянной скорости скольжения 0,88 м/с. Момент трения фиксировался при 50 и 100 циклах (рис. 4.22)
Из рисунка видно, что при прочих равных условиях и при одинаковой высоте неровностей существенное влияние на коэффициент трения оказывает их форма, заметно отличающаяся при различных способах обработки. Так, при всех нагрузках наименьший коэффициент трения наблюдается у поверхностей, обработанных давлением (прошиванием выглаживающей прошивкой и вибронакатыванием), микрорельеф которых отличается более пологой и обтекаемой формой неровностей и большим шагом их по сравнению с неровноегями поверхностей, обработанных резанием.
Если форма неровностей вибронакатанных поверхностей характеризуется углом, равным 2—8° и радиусом закругления выступов г - 800—4300 мкм, то значение этих параметров у обточенных, шлифованных и протянутых поверхностей р = 6—12° и г == 6—10 мкм. В сотни раз большими у вибронакатанных поверхностей являются и соотношения r/Rzmw, характеризующие фактическую поверхность касания трущихся поверхностей.
Близкое к приведенным соотношение значений коэффициента трения было получено у образцов при сходных описанным выше условиям испытаний, но при граничном трении (масло индустриальное 20). Результагы исследования приведены в табл 4.4. Уменьшение коэффициента трения при работе в условиях гра-156
Рис. 4.22. Зависимость коэффициента трения от нагрузки
I протягивание, 2— растачивание, 3~ развертывание, 4—дернование, 5—вибронакатывание
ночного трения поверхностей, обработанных давлением, по 'равнению с обработанными резанием объясняется большей мпслоемкостью этих поверхностей.
Насколько стабилен характер зависимости коэффициента I реп ия от времени изнашивания различных по материалу пар Iрения на коэффициент трения, можно видеть из рис 4.23.
Габлица44 Зависимость коэффициента трения от способа обработки трущейся поверхности, нагрузки и длительности испытания
П.орузка, МПа Количество циклов Коэффициент трения в зависимости от способа обработки
Растачивание Разверты- вание Протягивание Прошивание Вибронакатывание
0,196 100 500 0,20 0,21 0,21 0,20 0,20 0,18 0,16 0,17
0,294 100 500 0,20 0,185 0,18 0,18 0,154 0,156 0,14 0,15
0.392 100 500 0,16 0,15 0,173 0.165 0,16 0,165 0,153 0,155 0,12
157
Рис. 4.23. Зависимость коэффициента трения от числа циклов испытаний и спп соба обработки одной из трущихся поверхностей пар трения . а — АСЧ-1 — сталь 45, б — СЧ 22—44 — сталь У8А (HRC 52-54)
7 — растачивание, 2 — обкатывание шаром, 3 — вибронакатывание
С увеличением числа циклов испытаний коэффициент трс ния уменьшается Испытания с большим числом циклов вначи ле выявили замедление, а потом прекращение увеличения мо мента трения, начиная с определенного периода времени, обу словленного частичной или полной приработкой трущихся по верхностей Однако характерно, что и после приработки и обра зования близкого к оптимальному для данных условий трении микрорельефа коэффициент трения был во всех случаях мень шим у поверхностей, обработанных давлением (особенно вибро накатанных), по сравнению с обработанными резанием.
Более поздние исследования позволили получить формулы для расчета коэффициента трения плоских поверхностей с час тично регулярным микрорельефом.
Для исследования граничного трения скольжения в цилинд рической паре металл — металл при поступательном движении были выполнены следующие исследования.
Первое исследование поршневой пары тракторного дизельною двигателя Д-60К ставило целью выявить возможности повышены) износостойкости деталей поршневой пары за счет образован и) микрорельефа рабочей поверхности гильзы Гильзы цилиндрит тракторных двигателей изготавливают из серого перлитного чугу на После термической обработки (ТВЧ) твердость внутренней рабочей поверхности на глубине не менее 1,5 мм не ниже HRC 40
Длительность испытания 56 мото-ч наработки. Для интенсификации изнашивания деталей поршневой пары применяли кварцевую пыль. Износ гильз и колец определяли методом искусственных баз прибором УПОИ-б. Лунки вырезали в пяти поясах по восемь п 158
j циклом Замер лунок производили только со снятием головки блока чщк* 110, 26, 36,46 и 56 мото-ч наработки с момента начала испыта-ня Температуру воды и масла поддерживали в пределах 80—85 °C
Тпрузка двигателя составляла 118,5—148 Н при частоте вра-। пня коленчатого вала в минуту 1570 ± 10. Полученные ре-и Иллы испытаний по выявлению оптимального вида микро-|ц и v фа иллюстрируются эпюрами на рис. 4 24. Из эпюр следу-
Хонингование Вибронакатывание
P'VF а б в г
Pin Эпюры износа (мкм) гильз, обработанных хонингованием (о) и вибро-н.1 |Кванием с микрорельефами видов 1И, II и I (соответственно б, в. г)
159
ет, что износ по всем поясам в различных точках по окружи о. ш достаточно неравномерен, однако во всех случаях в резулы и вибронакатывания заметно снижается.
Создание системы канавок любого вида значительно chi i ет скорость изнашивания хонингованной поверхности при 11 роховатости А« = 0,08 (в дальнейшем этот вывод подтвердила многократно).
Если принять за 100 % износ гильз, хонингованных в coot ветствии с действующим технологическим процессом их обри ботки, то износ вибронакатанных гильз с системой канавок вп дов Ш. П и I соответственно был равен 49, 91; 45,78 и 24,08 %.
Для выявления оптимального значения площади, занимаемой канавками FK, был выбран микрорельеф вида I с некасаюшимися друг друга канавками. Исследовали поверхности гильз с площа-дями канавок, равными 24,3 % (w3 — 3,7 рад/с; 5 = 6,08 мм/об), 32,7 % («з = 3,73 рад/с; S- 5,28 мм/об), 45,2 % (л3 = 2,71 рад/с; S- 5,28 мм/об) и 55,9 % («з = 2,71 рад/с; S = 5,28 мм/об) (рис. 4.25, а, кривая 1, где G— износ, мг).
Близкой к оптимальному значению FK для поршневой пары была площадь канавок, равная 32,7 %.
Если относительный износ гильзы с площадью FK ~ 24 3 % принять за 100 %, то для площадей, равных 32,7; 45,2 и 55,9 %, износ соответственно равнялся 54,67; 67,5 и 70,83 %. Для поршневой пары характерно то, что зависимости между износом и площадью FK ДЛЯ гильз (см. рис. 4.25, а, кривая Z) и поршневых колец (см. рис. 4.25, а, кривая 2) идентичны. Весьма близкие зависимости получены для двигателя ЗИЛ-130. Во всех случаях при площадях канавок, обеспечивающих минимальный износ гильз, минимальным был износ работавших с ними в паре поршневых колец, аналогично выше описанной паре шейка коленчатого вала — вкладыш. Это же исследование показало, что увеличение маслоемкости за счет вибронакатывания позволяй устранить такую дорогостоящую операцию, как сульфидирова ние (см. рис. 4.25, б). Из рис. 4.25, б видно, что износ гильз, об работанных вибронакатыванием с последующим сульфидирова нием (кривая 5), меньше (на 10—12 %), чем износ сульфидиро ванных гильз с последующим вибронакатыванием (кривая 3).
Другое исследование цилиндрической пары металл—металл (поступательное движение) имело целью проверить правильность выводов по первому исследованию о возможности значительного повышения износостойкости гильз поршневой пары путем оптимизации микрорельефа ее рабочей поверхности. Это 160
18
' *н 4 25. Зависимость износа от площади FK вибронакатанных канавок (а) и времени наработки гильз, обработанных различными способами (б)
ninoc 1ильз, 2— износ поршневых колец, 3— хонингование, сульфидирование и виб-
>|<1к шлвание, 4 — хонингование и сульфидирование, 5- хонингование, вибронакатыва-
Iin и сульфидирование, б—хонингование, 7—хонингование и вибронакатывание
•и । педование выполнено на гильзах цилиндров двигателя I -112, изготовленных из серого чугуна твердостью НВ 197—235. ••шнмальным в отношении износостойкости микрорельефом •►и млея микрорельеф вида 1 с площадью, занимаемой выдавши ними при вибронакатывании канавками, равной 44,8 %. • пщание такого микрорельефа приводит к повышению износо-। ой кости гильз по сравнению с хонингованными в 1,5—1,7 iHiii Такой вид микрорельефа и площадь FK канавок образовыва-шгь при следующем режиме вибронакатывания: пз = 2,63 рад/с; '• 3 мм/об; лдвх — 1400 об/мин; 7,94 мм; Р — 392 Н.
Увеличение маслоемкости рабочей поверхности гильзы ци-пшлра за счет образования дополнительной системы кана-чк - существенный резерв повышения их износостойкости, мог вывод полностью подтвержден ходовыми испытаниями «шпателей.
Износостойкость деталей трущихся пар может быть повыше-ни путем подбора материала деталей пар и, в частности, материала гильзы. Разработанный в НАМИ хромокремнистый сплав им гильз оказался исключительно износостойким. Гильзы дви-целей ЗИЛ-130, ГАЗ-53 и ЯМЗ из этого сплава обладали изно-югойкостью, соответствующей пробегу 300 000—400 000 км. Одна- и выявилась и чрезвычайно плохая прпрабатываемость этого и пава — следствие склонности к адгезии. Первые испытания
v»‘5 161
гильз различных двигателей, на рабочей поверхности когорт создавалась вибронакатыванием система масляных канавок ЛК бого из трех первых видов, показали хорошие результаты в (У ношении прирабатываемости. Наилучшим микрорельефом ок| зался хонингованный с наложением канавок вида II — с касаф щимися канавками, занимающими площадь, равную 40—50 Я глубина которых составляла 0,01—0,014 мм.
По-видимому, при таком виде микрорельефа обеспечиваю! ся наилучшие условия для перетекания масла и равномерно!1' его распределения по поверхности в зоне трения; однако рс шаюшим фактором, определяющим улучшение прирабатывас мости, является увеличение маслоемкости поверхности. В теме ние двух лет НАМИ совместно с ЛИТМО проводили стендовы-и ходовые испытания двигателей с гильзами из хромокремни стого сплава, обработанными вибронакатыванием. При этол выявилось влияние нового микрорельефа не только на прирабя тываемость, но и на другие характеристики работы поршнево! пары и двигателей в целом (табл. 4.4).
Анализ данных табл. 4.4 свидетельствует о том, что создашь системы канавок и увеличение маслоемкости рабочей поверх! к сти гильз надежно повышают противозадирные свойства но верхностей деталей, изготовленных из металлов, даже наиболо склонных к образованию поверхностных дефектов и схватывя нию, особенно в приработочный период работы пары трении Создание системы смазочных канавок на рабочих поверхности гильз приводит и к заметному повышению их износостойкости
Расход масла, по результатам стендовых и ходовых испытп ний двигателей ГАЗ, ЗИЛ и ЯМЗ, не изменился. Особо ощути мым оказался эффект повышения износостойкости в результат! создания системы масляных карманов (вид I, FK = 45 %} на ра бочей поверхности гильз двигателей ЗИЛ, испытанных на мп шинах дальнего рейса. Износ гильз и колец измеряли через 5 10. 15 и 35 тыс. км пробега. Износостойкость вибронакатаннъи гильз по сравнению с хонингованными оказалась выше в 1,5—! раза, а колец — в 2,5—3,5 раза.
Применение вибронакатывания более эффективно также ДЛ1 предотвращения появления натиров и задиров на поверхносп юбки поршня и шатунных втулок двигателей.
Следующее исследование пары гильза — поршневое колы И (поступательное движение) ставило целью выявить величин; пускового и основного износа и противозадирные свойства виб ронакатанных гильз и работающих с ними в паре компрессиоп 162
ii.i\ и маслосъемных колец. Исследования,и испытания провопит на двигателях ЗИЛ-130. Основные результаты исследова-»П1 и испытаний сведены в табл. 4.4.
Таблица 4.4. Результаты испытания различных двигателей с вибронакатаниыии гильзами из различных металлов
Гильза цилиндра Режим вибронакагывания
1 <i риал d, мм Материал я„ рад/с 5, мм/об /, Мм мм Р,Н 1/мин
ИМ 5 236 130 Хромокремнн-стый сплав 119,38 1,56 1 4 343 1400
1I1H 130 1 \ 1-21 М 112 100 92 82 Тоже Серый чугун 119,38 119,38 238,75 1,74 1,56 3 1 1 138 4 4 7,94 343 343 392 1400 1400 1400
ч| 1 130 1 <Ж 100 Тоже Чугун СЧ 21-40 191,0 339,03 2,08 5,28 1 1 4 3,15 343 687 1400 2800
11|»ка ни и.1 геля Глубина канавки, мм Шаг волны канавки, мм Вид микрорельефа Площадь, занимаемая канавками, % Объем канавок, мм Эффект применения вибронакатыванмя
•Bl 1 236 0,0129 3,58 11 37,6 0,003062 Устранение задиров, натиров, схватывания
Н1Л 130 1Л 1*21 М 412 0,008 0,0095, 0,0055 2,73 2,565 4,604 11 11 1 34,8 39,7 44,8 0,001858 0,002398 0,001600 Тоже Увеличение износостойкости в 1,5—1.7 раза
IIIU 130 Ч (»ок 0,020 0,020 4,43 1 1 35,6 32.7 0,004734 Тоже, Тоже, в 1,4—1,6 раза в 1,5—1,8 раза
4.7. Влияние качества поверхности на эксплуатационные Овойства деталей машин
Влияние шероховатости поверхности. Трение и износ деталей и шачительной степени связаны с высотой и формой неровно-icii поверхностей, направлением штрихов обработки.
В начальный период работы трущихся поверхностей их кон-»iiki происходит по вершинам неровностей. В результате этого фактическая поверхность соприкосновения составляет лишь не-Нпльшой процент от расчетной, поэтому в местах фактического контакта пр вершинам неровностей возникают большие давления, часто превышающие предел текучести и даже предел прочности трущихся металлов. Под действием этих давлений при не-' 163
подвижных поверхностях в точках контакта происходят упругое сжатие и пластическая деформация смятия неровностей, а пр взаимном перемещении поверхностей — срез, отламывание пластический сдвиг вершин неровностей, приводящие к инте! сивному начальному износу трущихся деталей и увеличению з< зоров трущейся пары. Повышенному начальному износу в нек( торых случаях способствуют возникновение в точках контакта высоких мгновенных температур и срыв окисной пленки, ш крывающей металлы, что сопровождается молекулярным сце? лением трущихся металлов и образованием узлов схватывания
При работе деталей в легких и средних условиях высота hi ровностей в период начального износа трущихся поверхносге уменьшается на 65 -75 %, что приводит к увеличению фактич< ской поверхности их контакта, а следовательно, снижению фа] тического давления.
Во время начального износа, протекающего в период прира ботки, происходят изменения размеров и формы неровностей, также направления обработочных рисок. При этом высота не ровностей уменьшается или увеличивается до некоторого опта мального значения, различного для разных условий трении Если оптимальную для данных условий трения высоту неровно стей удается создать в процессе механической обработки, то процессе износа она не изменяется, а время приработки и изно оказываются наименьшими.
На рис. 4.26 приведены графики проф. П. Е. Дьяченко, по называющие, что при оптимальной высоте неровностей (точк и О2) начальный износ металла ян ляется наименьшим (кривая Г). В б( лее тяжелых условиях работы кривая износа смещается вправо и вверх; то» ки оптимальной шероховатости вправо, в сторону увеличения высо! неровностей.
Увеличение высоты неровности по сравнению с оптимальным знач нием повышает износ за счет возрас тания механического зацепления, ска лывания и среза неровностей поверх ности. Уменьшение высоты неровно стей против оптимального значени приводит к резкому возрастанию из носа в связи с возникновением моле
И, мкм
Рис. 4.26. Зависимость износа от высоты неровностей поверхности
164
•\ пирного сцепления и заедания плотно соприкасающихся порч нос гей повышенной гладкости, чему способствуют выдавившие смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально-чис-<мч поверхностей.
Одной из задач конструктора, проектирующего новые машины, - назначить оптимальные параметры шероховатости трущихся поверхностей.
Шероховатость и волнистость поверхности для износа не ог-|<||||пчиваются влиянием высоты неровностей и размеров факти-»• 11 ой поверхности контакта, а связаны с шагом и формой не-1‘|1||||остей. На рис. 4.27, а и б представлены соответственно рормы неровностей двух образцов, имеющих одинаковые раз-п ры фактической поверхности контакта и кривые износа этих ь|мщов. Приведенные данные показывают, что в условиях проведенного опыта тонкие и многочисленные неровности <|ц-1 печивают ббльшую износоустойчивость, чем крупные не-1ННН10СТИ большого шага. Через п = 160 000 двойных ходов из-»им поверхности с неровностями малого шага составил 40 мкм, ш-ровностями большого шага — 60 мкм.
Влияние направления неровностей на износостойкость разнице в разных условиях трения и при разных размерах неровна <ей. Эксперименты проф. П.Е. Дьяченко показали, что при hi л костном трении и малой высоте неровностей направления п»п ок значения не имеют. Однако при увеличении шероховато- ш наблюдается уменьшение износа при совпадении направле-
1*1к 4.27. Кривые изиоса (6) поверхностей с различной формой неровностей (а) при одинаковых высоте неровностей и форме кривых опорной поверхности
При граничном трении поверхностей с малыми неровное hi ми и параллельным направлением неровностей и движения де тали возникающие схватывание и износ больше, чем при пер пендикулярном направлении. Для поверхностей с большой шо роховатостью, когда схватывания не происходит, параллельио| направление рисок дает наименьший износ.
На рис. 4.28 приведены кривые износа образцов из стали при различных сочетаниях направлений штрихов на поверхно сти образца после строгания до Rz = 20 мкм с S = 0,25 мм/дв. Xi 1=2 мм, <р = (pi= 45°. При исследовании на поверхности образ нов давление равнялось 0,14 МПа (1,42 кгс/см2).
Коэффициент трения тоже связан с направлением неровно стей и их высотой. При сочетании поверхностей, имеющих одп наковое направление неровностей при их перпендикулярном направлении к движению, коэффициент трения достигает наи большего значения. При перпендикулярном направлении но ровностей трущихся поверхностей или при их беспорядочне расположении, что наблюдается при суперфинишировании, ю эффициент трения минимален. Точность сопряжения, устано, ленная чертежом и определяемая зазором в соединении, в зн чительной степени зависит от шероховатости соприкасающих*. поверхностей.
Путь трения, км 8,4 16,8 25,2 33,6 42
Число двойных 84 168 252 336 420
ходов, и 10
Рис. 4.28. Влияние на износ направления неровностей поверхности образцов из стали
166
Ранее указывалось, что в период начального износа высота •и ровностей может уменьшиться на 65—75 %. При малых размена деталей и шероховатости поверхностей с Rz = 3—10 мкм инИшая высота неровностей 2Rz соизмерима с полем допуска на •пиовление детали. Это означает, что в период начального из- -< । поверхностей дополнительный зазор в соединении может - н (гнуть значения допуска на изготовление детали, и точность чтения будет полностью нарушена. Вместо требуемой черте-• * ючности соединения фактически точность снижается и вме-in посадок скольжения появляются ходовые посадки и т. п.
1ля предотвращения этого необходимо во всех случаях от-<« к । венных сопряжений, от которых требуется длительное со-рнпение установленной конструктором точности, вести обра-•inikV деталей при достижении минимальной шероховатости <р\щихся поверхностей. При этом рекомендуется устанавливать hi походимую высоту шероховатости в зависимости от точности dpi актируемого сопряжения путем расчета по формулам;
Rz = (0,10—0,15)8
при диаметре сопряжения свыше 50 мм;
' Я? = (0,15-0,20)5
при диаметре сопряжения от 18 до 50 мм;
Rz= (0,20—0,25)5
при диаметре сопряжения менее 18 мм.
В этих формулах после допуска 6 детали и высота неровно-। irii Rz выражены в микрометрах.
Прочность прессовых соединений непосредственно саязана । шероховатостью сопряженных поверхностей: с увеличением П1.к оты неровностей сопряженных поверхностей прочность прессовых соединений снижается. Например, прочность прессо-№но соединения ступицы вагонного колеса с осью при высоте н< ровностей 36,5 мкм на 40 % ниже прочности такого же соеди-|н пня с высотой неровностей 18 мкм, несмотря на то, что натяг втором соединении был на 15 % меньше.
Прочность изделий при ударной нагрузке зависит от шеро-новатости поверхностей. При изменении Rz с 300 до 0,4 мкм ударная вязкость образцов из стали 5 повышается на 17 %.
167
Благоприятное влияние снижения шероховатости поверхнО' сти еще лучше проявляется при испытании образцов металл! повторными ударными нагрузками. Число ударов до разрушения образца при переходе от R = 300 мкм до Rz = 0,4 мкм дли стали 3 возрастает с 82 до 112 ударов, т. е. в 1,36 раза, а для стали 5 — с 17 до 28 ударов, т. е. в 1,7 раза.
Шероховатость поверхности оказывает значительное воздействие на хладноломкость стали. Испытание надрезанных образцов из стали показало, что при 100 °C и Rz~ 300 мкм работ разрушения составила 3,92 Дж, а при Rz= 0,4 мкм — 17,7 Дж, т. е увеличилась в 4,5 раза.
Усталостная прочность деталей зависит и от шероховатости их поверхностей. Наличие на поверхности детали, работающей ь условиях циклической и знакопеременной нагрузок, отдельны} дефектов и неровностей способствует концентрации напряжс ний, которые могут превысить предел прочности металла. В этом случае поверхностные дефекты и обработочные риски играю । роль очагов возникновения субмикроскопических нарушений сплошности металла поверхностного слоя и его разрыхления, ян ляющихся первопричиной образования усталостных трещин.
Полученный академиком С.В. Серенсеном график (рис. 4.29i показывает, что предел выносливости закаленной аустенитной стали при изгибе с вращением зависит от шероховатости по верхности. Так, при шероховатости поверхности образца, соответствующей Rz — 1,6—3,2 мкм, предел выносливости не превосходит 75 % предела выносливости образца, шероховатость поверхности которого соответствует Rz = 0,2 мкм.
Еще большее влияние шероховатости поверхности на предел выносливости установлено Д.Д. Папшевым, который исследовал образцы из стали 45, отожженные после обтачивания для устра-
Рис. 4.29. Зависимость предела выносливости образцов из стали ЭИ69 от шероховатости поверхности
168
Рис. 4.30, Зависимость предела выносливости от высоты неровностей
пения воздействия наклепа и остаточных напряжений, возникающих при обработке образцов (рис. 4.30).
На рис. 4.31 показано влияние направления неровностей на предел выносливости стали при изгибе. Из диаграммы следует: при продольном направлении неровностей циклическая прочность при изгибе стали 2X13 на 10—15 % выше, чем при поперечном расположении неровностей. Эта закономерность проявлю гея при различных методах обработки в зависимости от высш ы неровностей Rz.
Рис. 4,^1. Влияние направления неровностей на предел выносливости при изги-
•, бе плоских деталей из стали 2X13.
А? — направление рисок поперек детали, 2 — направление рисок вдоль детали
169
На основании приведенных данных и многих других аналО гичных материалов был сделан вывод о значительном воздейсТ вии шероховатости поверхности на многие эксплуатационно свойства деталей машин и о необходимости ее строгой регла ментации в чертежах и технологии производства и важное!и осуществления контроля шероховатости. Высота микронеровно стей, направление штрихов обработки, форма и шаг неровно стей, размеры опорной поверхности и другие геометрически характеристики микрорельефа поверхности оказывают влияли» и на другие важные эксплуатационные свойства деталей машин и приборов, в частности, на их контактную жесткость, коррозионную стойкость, отражательную способность, коэффициент теплопередачи, газовую эрозию. В саязи с этим необходимо тщательно регламентировать в чертежах основные характеристики шероховатости, предусмотренные ГОСТом, а в некоторых случаях и дополнительные характеристики, необходимость котор> । может быть определена исходя из конкретных особенное l и эксплуатации деталей. Важно осуществлять производствен ы ш контроль за выполнением всех требований к шероховатости oi ветственных поверхностей деталей, установленных чертежом.
4.8. Производительность и надежность технологического оборудования
Производительность технологического оборудования. Изготовление основных деталей двигателей в основном производится на автоматических линиях или автоматизированном оборудовании, производительность которых определяется количеством деталей, изготовленных в единицу времени.
При производстве в определенный период времени и отсутствии каких-либо простоев работа оборудования заключается и периодическом повторении рабочих циклов. При непрерывном действии автоматической линии или автомата цикловая производительность (шт./ч) определяется по формуле
Q, = 60/7,, = 60/(4, + 4,),
где 7/ — время цикла; 4, и 4> — основное и вспомогательное время.
Однако при обработке деталей периодически возникают вне-цикловые простои. При анализе производительности необходимо в первую очередь учитывать простои по техническим причине
им. т. e. при замене, регулировании и наладке инструментов и также потери времени при ремонте, регулировании и на-IHKC различных механизмов £/-об.
I ели потери отнести к времени 7ц, то можно определить пони нал ьную производительность, шт./ч:
Qn = 60/(Tu +
При эксплуатации оборудования, кроме внецикловых прошен по техническим причинам, могут быть внецикловые про-|оп Е/Орг по организационным причинам. С учетом потерь по рпшизационным причинам можно вычислить фактическую
нритводительность, шт./ч:
<2ф = 6О/(ГЦ + 2>и + Поб + £/орг).
Из схемы баланса производительности следует, что
Сф < Оп <
11адежность технологического оборудования. Надежность — свой- ню объекта сохранять во времени в установленных пределах значе-«IIbi всех параметров, характеризующих способность выполнять тре-нусмые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Надежность двигателя, например, определяют при его про-• мировании и расчете. Она зависит от конструкции автомобиля и сю узлов, применяемых материалов, методов защиты от раз-iii'iilux вредных воздействий, типа смазочной системы, приспо-1 оЬиснности к различным режимам движения, техническому об-। чуживанию и особенно от технологии его изготовления.
11а стадии производства надежность обусловливается качест-иом изготовленных деталей, возможностью управления ходом ц'хпологического процесса, условиями сборки двигателя и его /июв, методами контроля и испытаний готовой продукции и ipvi ими показателями технологического процесса.
В общем случае вероятность безотказной работы технической системы, в том числе технологического оборудования, в течение времени выражается формулой
P\k) = exp
|де Х(/б) — интенсивность отказов.
171
Интенсивность отказов — условная плотность вероятное in возникновения отказа объекта, определяемая при условии, чю до рассматриваемого момента времени отказ не возник. i
В частном случае при = X = const
p'dc) =ч.
Вероятность безотказной работы P'(fc) связана с функь г распределения F (f) и плотностью распределения/?() нарабои,п до отказа, которые для данного случая имеют вид
ЭД = 1 - в-’-'» ;
Д/б) = V6 при /б > 0.
Продолжительность периода случайных отказов связана с долговечностью.
Следовательно, необходимо по возможности уменьшить раз-' брос параметров долговечности изделий и удлинить срок их, службы.
Долговечность — свойство оборудования сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т. е. в течение всего периода эксплуатации (при установленной системе технического обслуживания и ремонта). Долговечность характеризуется ресурсами оборудования — гамма-процентным и сред ним, а также сроками службы — гамма-процентным и средним.
Безотказность — свойство изделия сохранять работоспособ ное состояние до наступления отказа в работе. Показателями без отказности являются вероятность безотказной работы оборудования, гамма-процентная наработка до отказа, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов, параметр потока отказов.
Ремонтопригодность — свойство оборудования, которое характеризуется приспособленностью его к восстановлению и ремонту с минимальными затратами времени и средств. Ремонтопригодность оценивается вероятностью, временем, средним временем, интенсивностью и средней трудоемкостью восстановления.
При решении вопроса о прекращении эксплуатации должна быть вычислена суммарная стоимость всех произведенных ранее ремонтов, так как суммарные затраты на ремонт за весь срок службы оборудования не должны превышать его стоимости; долговечность должна быть оптимальной, т. е. такой, при которой себестоимость продукции минимальна.
172
( ебестоимость продукции равна сумме постоянных расхоти не зависящих от продолжительности эксплуатации (энер-1ни. материалы и др.), и переменных, зависящих от продолжи-цч|Ы10сти эксплуатации, амортизационных отчислений, обрат-пи пропорциональных продолжительности эксплуатации, и тошных расходов на ремонт и техническое обслуживание, число мпорых возрастает при дальнейшей эксплуатации оборудования Среднее время безотказной работы элемента определяют ни (|юрмуле
№ 4 = J № = f P'(h №
0 0
При экспоненциальном законе распределения среднее время Пеютказной работы равно
4 = 1Д.
Под надежностью станков и автоматических линий понимают »iKijicTBo оборудования обеспечивать определенный уровень про-ншодительности в течение длительного времени, заданные пара-mi । ры продукции и экономическую эффективность ее изготовления Критериями надежности являются интенсивность отказов, «рсдняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы.
Интенсивность отказов выражается числом отказов или числим изделий, вышедших из строя в единицу времени. За критерий принимают число срабатываний, выполненных рабочих циклон и интервалов в расчете на соответствующий период времени.
Средняя наработка на отказ для некоторых видов оборудования выражается отношением суммарной наработки к математическому определению числа отказов, наступивших в течение нои наработки.
Вероятность безотказной работы оборудования и аппаратуры приближенно оценивают по предполагаемому сроку их безотказною действия или по проценту безотказно функционирующего оборудования из общего числа, находящегося в эксплуатации.
Отказы чаще всего возникают в начальный период эксплуа-шции. По окончании этого периода число отказов резко уменьшается: отказы носят случайный характер, поэтому их называют случайными отказами. При истечении срока случайных отказов ре 1ко увеличивается число отказов, являющихся следствием износа и старения, по причине наступления предела расчетной долговечности.
173
Изменение себестоимости Си продукции в процессе эксплуатации выражается уравнением
Сп = Д + CJH + Рм ~ <p(Z7),
где Рп — постоянные расходы; Сс — стоимость станка; П— период эксплуатации; Рм — расходы на ремонт.
4.9. Оценка экономической эффективности 1
технологических процессов I
При использовании высокопроизводительной оснастки и1 оптимального оборудования обеспечивается минимум затрат на | обработку детали.
Коэффициент Е экономической эффективности капитальных вложений выражает годовую экономию от применения нового технологического оборудования и оснастки:
Е = (С, - С2)/{К2 - К}),
где С], С2 — себестоимость годового выпуска деталей при использовании соответственно старой и новой технологий, руб, Д, К2 — капитальные затраты, руб.
Для определения экономической целесообразности внедрения новой техники установлен нормативный коэффициент экономической эффективности £н, который определяет допустимый минимум годовой экономии, для автотранспортного производства Е„ =0,15
Экономическая целесообразность дополнительных капитальных вложений может быть определена при сравнении Е и Ен:
Е=(Сх-С2)/(К2~К1)>Еи.
При сравнении различных вариантов технологического процесса, требующих значительных капитальных вложений, подсчитывают приведенные затраты на годовой выпуск деталей:
Л, = С,Л + ЕиК,.,
где Д — приведенные затраты на осуществление годового выпуска деталей по i-му варианту, руб.; С, — себестоимость изготовления 1-И детали, руб.; N— годовой выпуск деталей, шт.; Л} — капитальные вложения на осуществление /-го варианта технологического процесса, руб.
174
Приведенные затраты определяют для каждого варианта. И»л»лрают вариант с минимальными приведенными затратами, шиовои экономический эффект от внедрения принятого вари-miit технологического процесса определяют разностью приверни ых затрат:
ЦЬ э = п{ -
ННЬ'ы для самопроверки
ЧгЧто понимается под производственным и технологическим процес-1пми механической обработки9
2 Каковы основные методы разработки технологических процессов, применяемых в массовом и серийном производствах9
3 В чем заключается принцип совмещения и постоянства баз9
4 Какие поверхности рекомендуется применять за установочные Il ВЫ9
5 Что понимается под точностью механической обработки9
6 Какие типы погрешностей и причины их возникновения вы знаете9
7 Что такое жесткость м податливость технологической системы9
8 Какие существуют методы расчета точности механической обработки изделий9
9 Какими параметрами определяется состояние обработанной поверхности9
10 Каковы особенности режимов резания при многоинструменталь-нои обработке9
Л
а
Ж
I
4
№ **
Глава 5
Методы обработки поверхностей деталей
5.1. Обработка плоских поверхностей
В автомобильной промышленности применяют высокопроизводительные методы обработки плоских поверхностей: фрезерование, протягивание плоскими протяжками, шлифование.
В двигателестроении фрезерование применяют для обработки плоскостей блока цилиндров, головки блока, картера сцепления, картера и крышки коробки передач.
При обработке поверхностей корпусных деталей наиболее широко используют торцовое фрезерование. Этот метод универсален, экономичен, легко выполняется на автоматических и поточных линиях механической обработки.
Торцовое фрезерование осуществляют фрезами с механическим креплением твердосплавных пластин. Инструменты такого типа имеют ряд конструктивных особенностей, обусловленных требованиями к шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости режущей кромки и др. Эти фрезы применяю! для чистовой обработки поверхностей стыка головки и блока цилиндров дизелей и оснащены твердосплавными пластинами из сплавов ВК8 и Т14К8.
Наружное протягивание плоских и фасонных поверхностей широко применяют в массовом производстве, несмотря на высокую стоимость оборудования и режущего инструмента. Основное преимущество процесса — возможность получения высокой точности и качества поверхности за один рабочий ход инструмента. В массовом производстве применяют карусельно-протяжные и тоннельно-протяжные станки непрерывного действия. Такие станки имеют высокую жесткость и обеспечивают возможность удалять за один проход припуски 4—5 мм.
Для съема такого припуска применяют прогрессивный метод протягивания. Режущие зубья многолезвийного инструмента срезают металл не по всей ширине протягиваемой поверхности, а узкими полосками, удаляя основную долю припуска. Послед-176
пне зубья, выполненные цельными, срезают небольшой слой по ж ей ширине обрабатываемой поверхности.
Шлифование поверхностей используется для обработки твер-HI.IX материалов, а также при высоких требованиях к качеству поверхности.
Обработку плоских поверхностей производят периферией или торцом шлифовального круга. Более прогрессивным способом является шлифование торцом круга, при котором значи-Ц'иьно увеличивается площадь контакта с обрабатываемой по-псрхностью, а следовательно, и режущая способность абразивною инструмента.
При шлифовании периферией круга уменьшается режущая i нособность инструмента, но обеспечивается более высокая точ-ноегь, поэтому данный метод применяют при чистовом шлифовании точных поверхностей.
Круги больших диаметров, как правило, состоят из отдельных час гей — сегментов, установленных в металлическом корпусе.
При скоростном шлифовании производительность труда увеличивается на 15—20 %, сохраняется до 40 % абразивов и уменьшается шероховатость поверхности. Однако внедрение скоростною шлифования возможно при наличии специального оборудования и абразивных кругов, соответствующих повышенным щебованиям к прочности на разрыв.
!».2. Методы обработки отверстий и внутренних поверхностей деталей
Механическая обработка внутренних поверхностей производи 1ся лезвийным и абразивным инструментами со снятием струж-MI и пластическим деформированием без удаления материала.
Лезвийным инструментом производят сверление, зенкерование, ^ввертывание, растачивание и протягивание; абразивным инструментом—операции шлифования, хонингования и полирования.
Пластическое деформирование в основном осуществляется к.ыибровкой и раскаткой.
Для получения отверстий в сплошном металле на сверлильных, токарных, агрегатных и револьверных станках используют спиральные сверла диаметром 0,25—80 мм. Для одновременной обработки большого количества внутренних поверхностей, расположенных в разных плоскостях, применяют специальные мпогошпиндельные сверлильные головки.
I 5935 177
Сверление обеспечивает точность диаметральных размеров отверстий в пределах 11—14-го квалитетов. Более точные значения диаметров отверстий получают при зенкеровании, развертывании, протягивании или растачивании.
Сверление может производиться при вращении детали на станках токарной группы или при вращении инструмента относительно неподвижной детали на станках сверлильной группы.
Для уменьшения увода оси отверстия при обработке на станках сверлильной группы обычно применяют кондукторные (направляющие) втулки, а на токарных станках, где невозможна их установка, перед операцией сверления производят центрование отверстия центровым коротким сверлом.
Сверление отверстий большого диаметра в сплошном металле вследствие недостаточной жесткости инструмента и значительных усилий при обработке сопряжено с рядом трудностей. Поэтому сверление отверстий больших диаметров рекомендуется производить за две операции, причем диаметр сверла на первой операции не должен превышать 30 мм.
Наибольшее распространение получили сверла из быстрорежущей стали. Однако при обработке внутренней поверхности диаметром 12—20 мм в деталях из закаленной стали, чугуна и труднообрабатываемых материалов применяют сверла с припаянными твердосплавными пластинами, а при обработке отверстий диаметром 20—60 мм и глубиной до 2D (D — диаметр сверла, мм) — сверла с механическим креплением твердосплавных пластин, снабженных стружколомающими канавками. При удовлетворительных условиях заточки и охлаждения этими сверлами можно производить обработку со скоростями резания до 150 м/мин и подачами до 0,30 мм/об.
Охлаждающая жидкость в зону резания подается поливом или под давлением 0,10—0,20 МПа через каналы в сверлах. При сверлении отверстий глубиной более 2D следует применять сверла из быстрорежущей стали с принудительной подачей охлаждающей жидкости.
При сверлении глубоких отверстий небольших диаметров, особенно смазочных отверстий, например в коленчатых валах, и каналов, например в блоке цилиндров двигателя, применяют удлиненные специальные пушечные, эжекторные сверла и сверла с дополнительной подачей охлаждающей жидкости.
Зенкерование применяют для предварительной обработки внутренних поверхностей, полученных сверлением, ковкой, штампов-178
Юй или литьем, а также для окончательной от-гпки до И—13-го квалитетов точности и значе-ПВ1 параметра шероховатости Rz ~ 40—20 мкм.
Зенкер имеет ббльшую режущую способ-Н»с|ь, чем сверло, так как зенкер имеет большее riteло режущих кромок (3—8), что обеспечивает wv лучшую устойчивость при обработке внут-н-и них поверхностей с неравномерно распреде-Гсппым припуском. Процесс зенкерования про-{шодят на том же оборудовании, что и сверяете отверстий. При этом для получения у заго-овки 3 (рис. 5.1) отверстия с минимальным ц ш пуском под последующую обработку и ис-цмвления отклонения оси отверстия, которое цюисходит вследствие увода сверла, зенкеру 1 |рпдается верхнее или нижнее положение по на-1|><шляющей втулке 2.
Рис. 5.1. Схема зенкерования внутренней поверхности летали
Применение твердосплавных зенкеров позволяет обрабаты-п 11> детали из стали со скоростями резания Vv — 40—70 м/мин и ткачами S= 0,45—1,20 мм/об, из чугуна — = 40—130 м/мин
1 Л' = 0,20—1,70 мм/об.
Кроме зенкеров, предназначенных для обработки цилиндрике ких поверхностей, широко применяют зенкеры различной [инструкции: зенковки —для снятия фасок на внутренней по-грчности (рис. 5.2, а) и цековки — для обработки фасонных 1м рис. 5.2, 6) и торцовых поверхностей (см. рис. 5.2, в)
При снятии фасок на внутренней поверхности обрабатываемой [шали с двух сторон за один рабочий ход инструмента используют дусторонние пружинные зенковки (см. рис. 5.3, а), а при снятии Jmlok на наклонных внутренних поверхностях — сферические (см. и к. 5.3, б) или веретенообразные вращающиеся борфрезы. Чтобы
;. 5.2. Схемы обработки внутренней поверхности детали зенкерами различной конструкции
а — зенковкой, б — цековкой, в — торцовой поверхности
J79
Рис. 5.3. Схемы снятия фасок на внутренних поверхностях деталей.
а — двусторонней пружинной зенковкой, б — сферической борфрезой, 1 — снятие фески с наружного торца, 2 — обработка цилиндрической поверхности (промежуточное положение), 3 — снятие фаски с внутреннего торца
получить из цилиндрических внутренних поверхностей конические, необходимо их сначала зенкеровать ступенчатыми коническими, а зачтем гладкими коническими зенкерами.
Развертывание отверстий — наиболее распространенный способом чистовой обработки отверстий до 6—9-го квалитетов точности со значениями параметра шероховатости поверхности Ra = = 2,5—5,0 мкм.
Развертывание производят обычно на тех же станках, что и зенкерование. По конструкции развертка аналогична зенкеру, но отличается от него бблыиим числом зубьев и наличием на них цилиндрического направляющего пояска. Для обработки внутренних поверхностей деталей из черных металлов при обычных требованиях к точности и шероховатости поверхности применяют развертки с прямыми канавками, при повышенных требованиях к точности и шероховатости, а также для внутренних поверхностей, пересеченных пазами, — развертки с винтовыми канавками. При этом направление канавок должно быть противоположно направлению вращения инструмента.
Развертки крепятся в качающихся или плавающих патронах, позволяющих самоустанавливаться оси инструмента относительно оси отверстия. Однако при наличии межцентрового рас-180
Стояния и отклонении его до 0,005 мм для обработки применяем развертывание с использованием кондукторных втулок.
Припуск под чистовое развертывание обычно оставляют в пределах 0,03—0,05 мм. Скорость резания при развертывании составляет 20 м/мин, подача — 1,2 мм/об. При использовании ‘твердосплавных разверток скорость резания может быть значительно увеличена.
Развертывание ступенчатых внутренних поверхностей осуществляют комбинированными развертками.
Для последовательной обработки одной или нескольких по-Перхностей применяют многоленточные комбинированные ин-i щу менты с чередующимися зубьями: сверло — сверло (см. рис. 5 I, а), сверло — зенкер — развертка (см. рис. 5.4, б), зенкер — |м шерпка (см. рис. 5.4, е), развертка — развертка (см. рис. 5.4, г).
Растачивание и сверление для получения отверстий производи! обычно с вращением обрабатываемой детали или режущего инструмента. Осевая подача может осуществляться перемещением инструмента или обрабатываемой детали.
Растачивание ступенчатых и соосных внутренних поверхно-с «ей выполняют специальными резцовыми оправками (борин лигами), на которых закреплены одиночные резцы или рас-iочные головки с несколькими резцами, функционирующими он повременно.
Для повышения точности и для устранения отклонений от <носкости отверстий при растачивании резцовыми оправками in пользуют направляющие втулки.
При обработке поверхностей с высокими требованиями к точности и шероховатости применяют тонкое растачивание на t пениальных прецизионных станках инструментами из твердосплавных или синтетических сверхтвердых материалов. Тонкое растачивание заменяет шлифовальную операцию при обработке •тонкостенных деталей из цветных металлов и сплавов, а также
а б
Рис. 5.4. Комбинированные инструменты
181
Рис. 5.5. Формы отверстий, выполненных протягиванием
из чугуна и стали. Оно характеризуется высокими скоростями резания Ур (100—1000 м/мин), малыми подачами S (0,01—0,15 мм/об) и глубиной резания tp (0,05—0,30 мм).
Данный способ обеспечивает обработку отверстий до 5—8-го квалитетов точности и параметр шероховатости поверхности Ra — = 2,50—0,63 мкм.
Протягивание применяют для чистовой обработки круглых и фасонных внутренних поверхностей на одно- и многошпивдель-ных горизонтальных и вертикальных станках многолезвийными инструментами, режущие зубья которых, постепенно увеличиваясь в диаметре, последовательно удаляют слои металла. Последние 4—6 зубьев имеют постоянный диаметр и являются калибрующими. Деталь в процессе обработки неподвижна. Различные формы отверстий, выполненных протягиванием, представлены на рис. 5.5.
Внутренним протягиванием обрабатывают также винтовые поверхности. Для этого одновременно с главным движением резания деталь или инструмент совершает вращательное движение с подачей, соответствующей шагу резьбы.
Режущую часть инструмента изготавливают из быстрорежущих сталей или твердосплавных материалов. Инструмент для протягивания может быть цельным, предназначенным для получения отверстий диаметром 10—90 мм, и сборным — для обработки отверстий диаметром до 160 мм.
Протягивание при высоких требованиях к качеству поверхности (Ra = 1,25 мкм и менее) осуществляют многолезвийным инструментом, у которого,, кроме режущих зубьев, имеются твердосплавные выглаживающие кольца, упруго и пластически деформирующие обрабатываемый поверхностный слой.
Деталь при обработке имеет жесткую опору, если ее торец подрезан перпендикулярно к оси отверстия, или шаровую опору.
Скорость резания в зависимости от марки и твердости обрабатываемого материала, жесткости детали и длины протягивания принимается равной 10—15 м/мин, скорость обратного хода в 2—3 раза больше
182
скорости резания. Точность обработки соответствует 6—7-му квалитетам, а параметр шероховатости Ra = 2,50—0,63 мкм.
Шлифование обеспечивает 5—7-й квалитеты точности и парами р шероховатости поверхности Ra = 0,63—0,32 мкм. Шлифовальную операцию производят на станках шлифовальной группы. Шлифовальную операцию выполняют на внутришлифовальном или бесцентровошлифовальном станке.
При выполнении енутришлифовальной операции (рис. 5.6, а) деталь 2, закрепленная в патроне или в специальном приспособлении 1, вращается, а шлифовальный круг 3, кроме вращательного, совершает возвратно-поступательное продольное и поперечное движения, удаляя за каждый рабочий ход тонкий слой Металла. Направления вращательных движений круга и обрабатываемой детали должны быть противоположными. Для повышения точности обработки несколько последних ходов шлифовального круга совершаются без поперечной подачи. Диаметр Шлифовального круга обычно составляет 0,8—0,9 диаметра обрабатываемого отверстия.
При шлифовании скорость вращения шлифовального круга К Составляет 25—35 м/с, скорость вращения детали V3 — 0,015—0,030
Рис. 5.6. Схемы шлифовальных операций: а — внутреннее; б — планетарное; в — бесцентровое шлифование отверстий
183
от К скорости круга. Продольная подача при чистовом шлифовании принимается 0,20—0,30 высоте! Н круга, поперечная — 0,003—0,015 мм/дв.х.
Планетарное шлифование используют для обработки отверстий больших диаметров. При выполнении операции (см. рис. 5.6, б) деталь 2 неподвижно крепится на сголе станка, а шлифовальный круг 3, помимо вращательного движения вокруг своей оси, выполняет вращение вокруг оси отверстия и совершает возвратно-поступательное и поперечное движения, осуществляя продольную и поперечную подачи.
При бесцентрово-шлифовальной операции (см. рис. 5.6, в) деталь с предварительно обработанной наружной поверхностью располагается между тремя роликами 1, один из которых (большего диаметра) является ведущим, а два других — опорными. Шлифовальный круг 3 располагается в отверстии консольно и совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси отверстия. Этот вид шлифования можно использовать при обработке деталей со сквозными, глухими, цилиндрическими и коническими отверстиями.
Хонинговальную операцию применяют для отделочной обработки отверстий после развертывания, шлифования или растачивания с целью получения более высокой точности и малой шероховатости поверхности.
Обработку производят мелкозернистыми шлифовальными брусками или брусками из технических алмазов, закрепленных в колодках хона (рис. 5.7), совершающего вращательное и возвратно-поступательное движения одновременно. Сочетание этих движений с разными скоростями резания обеспечивает образование специфического микропрофиля в виде сетки, являющейся следствием воздействия абразивных зерен на обрабатываемую поверхность. Такой профиль обеспечивает удерживание на стенках смазочного материала при работе сопряженных деталей. В процессе хонингования шлифовальные бруски контактируют с обрабатываемой поверхностью при перемещении колодок в радиальном направле-
Рис. 5.7. Хон
/—корпус, 2— конусная поверхность, 3 — подаватель, 4 —колодка, 5 — алмазный брусок. 6 ~~ шток
184
пни с помощью двух конусов, связанных со штоком гидравлическим, пневматическим или механическим устройством. Радиальное давление брусков находится в пределах 0,30“ 1,50 МПа.
Хонингование производят на специальных станках обычно при плавающем креплении инструмента или обрабатываемой детали.
В конце операции радиальная подача брусков прекращается и начинается процесс «выхаживания» для окончательной обрасопки рельефа поверхности.
Для улучшения режимов хонингования и уменьшения удельною расхода алмазного инструмента применяют совмещенное хонингование одновременно двух и более деталей в пакете. При ном лучшие результаты получают при одновременном шарнирном креплении инструмента и обрабатываемых деталей. В зависимости от снимаемого припуска (0,05—0.20 мм) процесс хонингования разделяют на две операции — предварительную и окончательную. Предварительное хонингование предназначено дня удаления основной части припуска, окончательное — для Обеспечения заданных точности и шероховатости поверхности.
Для обработки внутренних поверхностей также используют плосковершинное хонингование, при котором формируется микрорельеф, представляющий собой сетку углубленных бороздок, способствующих образованию масляной пленки на рабочей поверхности. Сетку углубленных бороздок получают при последовательном хонинговании вначале крупнозернистыми, а затем Мелкозернистыми алмазными брусками на двухшпиндельном панке с поворотным столом или за одну установку детали на одношпиндельном станке с применением двухрядного хона.
При хонинговании широко применяют устройства для ак-швного контроля размеров отверстия в процессе обработки. ( корость вращения хона соответствует 45—75 м/мин, скорость во шратно-поступательного движения равна 12—18 м/мин. Доспи аемая точность обработки соответствует 4—6-му квалитетам, параметр шероховатости поверхности Ra = 0,32—0,02 мкм.
Полировальную операцию применяют при окончательной обработке для уменьшения шероховатости наружных поверхностей.
Процесс заключается в полировании поверхности быстро-нращающимся мягким кругом (войлок, фетр и т. д.) с применением паст ГОИ при возвратно-поступательном перемещении детали. Скорость вращения круга около 40 м/с. Полированная поверхность имеет блестящий, зеркальный вид {Ra = 0,02—0,01 мкм). Искажения геометрической формы отверстия полированием не устраняются.
185
При полировании внутренних поверхностей наиболее эффективно использование алмазных брусков. Алмазным полированием снимают незначительный слой металла (1—4 мкм). Данную операцию применяют при обработке поверхностей с исходным значением параметра шероховатости Ra = 1,20—0,32 мкм.
5.3. Обработка наружных поверхностей деталей
Обработку тел вращения типа дисков производят в основном на вертикальных и горизонтальных многошпивдельных токарных полуавтоматах. Кроме обтачивания, наружные поверхности также могут подвергаться сверлению, зенкерованию, развертыванию центральных отверстий, обтачиванию наружных и внутренних кольцевых канавок, фасок, галтелей и ряду других операций.
Вертикальные многошпиндельные токарные полуавтоматы постепенно заменяют одношпивдельными и двухшпиндельными станками, которые обладают большими технологическими возможностями, удобны в обслуживании и легко встраиваются в автоматические линии. Они оснащены крестовыми суппортами, в том числе копировальными с револьверной головкой, что позволяет производить комплексную обработку деталей с точностью до 6—9-го квалитетов. Обработка может производиться на высоких режимах резания резцами, оснащенными твердосплавными пластинами. Скорости резания могут достигать 140 м/мин, а подача — 0,40 мм/об.
Обработку деталей типа валов производят на многорезцовых токарных автоматах и полуавтоматах. На станках такого типа выполняют черновое и чистовое обтачивание не только цилиндрических, фасонных и торцовых поверхностей, но и кольцевых канавок, галтелей и фасок.
Наладку резцов осуществляют по эталонной детали или специальному шаблону. При наладке резцы устанавливают и закрепляют относительно обрабатываемых поверхностей детали таким образом, чтобы можно было одновременно обработать несколько поверхностей. При этом каждый резец обрабатывает поверхность небольшой протяженности за один рабочий ход по методу деления длины обрабатываемых поверхностей. Для уменьшения машинного времени на обработку длинные ступени детали обтачивают одновременно несколькими резцами. Однако количество одновременно работающих резцов ограничивается жесткостью обрабатываемой детали и мощностью станка. Валы
186
нежесткой конструкции обрабатывать одновременно несколькими резцами не рекомендуется. Основное время определяют по времени работы резца, обрабатывающего наиболее длинный участок детали.
Черновое обтачивание на многошпиндельных многорезцовых автоматах обеспечивает точность размеров обработанных поверхностей, соответствующую 11—12-му квалитетам, а чистовое — точность размеров детали, соответствующую квалитету 10. Скорости резания вследствие значительных усилий, возникающих в процессе обработки, небольшие и находятся в пределах 30—50 м/мин.
Обтачивание ступенчатых валов на гидрокопировальных станках производят обычно одним резцом, закрепленным на заднем, перемещающемся по копиру гидрокопировальном суппорте, а снятие фасок, проточка галтелей, резьбовых канавок, подрезание торцов — резцами, закрепленными на переднем суппорте, при поперечной подаче. Современные гидрокопироваль-ные токарные автоматы и полуавтоматы оснащены одним, двумя и более гидрокопировальными суппортами, а также суппор-шми с револьверными головками для двух-четырех инструментов, системами адаптивного регулирования подачи, приборами активного контроля.
Режущая способность инструмента при гидрокопировальном обтачивании часто выше, чем при многорезцовом обтачивании вследствие уменьшения примерно в 2—3 раза затрат времени на наладку гидрокопировальных полуавтоматов и значительного увеличения скорости резания.
Повышение точности размеров при гидрокопировальной обработке обеспечивается двух- или трехкратным повторением цикла обтачивания всего вала или отдельных его ступеней. Чистовая обработка на гидрокопировальных станках обеспечивает 9-й квалитет точности.
К отделочным операциям обработки наружных поверхностей относят тонкое обтачивание, шлифование, суперфиниширование и полирование.
Тонкое (алмазное) обтачивание применяют для повышения точности и уменьшения шероховатости предварительно обработанных поверхностей детали. Его производят резцами, оснащенными твердосплавными пластинами, техническими алмазами или синтетическими сверхтвердыми материалами. Данный способ об-|ачивания используют в основном при обработке деталей из цветных металлов и сплавов, пластмасс и иногда при обработке деталей из стали и чугуна при замене процесса шлифования.
187
Алмазное обтачивание характеризуется высокими скоростями резания (свыше 100—1000 м/мин) при малых подачах инструмента (0,01—0,015 мм/об) и глубине резания (0,05—0,3 мм).
Вследствие малых сечений стружки, площадей контакта резца с поверхностью детали, усилий резания и небольшого выделения теплоты в процессе обработки поверхностный слой обрабатываемой детали почти не деформируется.
Процесс тонкого обтачивания осуществляют на специальных прецизионных станках, к жесткости и точности изготовления которых предъявляют повышенные требования. Тонкое обтачивание обеспечивает допуск 0,005—0,080 мм, овальность и конусность не более 0,003 мм.
Шлифование применяют для повышения точности и снижения шероховатости поверхности предварительно обработанных деталей.
При обработке обточенных заготовок с припуском 1—2 мм предварительная обработка их поверхностей лезвийным инструментом заменяется обдирочно-шлифовальной операцией. Станки для данного способа обработки должны иметь жесткость, превосходящую в 3—5 раз жесткость обычных круглошлифовальных станков, при этом должна быть предусмотрена возможность применения широких кругов, с общей шириной шлифования 300—400 мм.
При обработке поверхностей, точность которых должна соответствовать определенному квалитету, а параметр шероховатости Ra = 1,25—0,32 мкм, используют обычное шлифование. Окончательная обработка поверхностей с точностью, соответствующей 4—5-му квалитетам и Ra < 0,08 мкм, заключается в применении тонкой шлифовальной операции.
При шлифовании с продольной подачей 5 (рис. 5.8, а) обрабатываемая деталь 7 совершает возвратно-поступательное движение относительно шлифовального круга 2, который после каждого двойного продольного хода имеет поперечную подачу *5рад = 0,005—0,200 мм. Продольная подача 5 на один оборот составляет 0,5—0,8 высоты круга при предварительном шлифовании и 0,20—0,50 высоты круга при окончательном шлифовании. Процесс шлифования происходит до тех пор, пока не будет достигнут необходимый размер обрабатываемой поверхности. Глубина резания при каждом проходе составляет 0,005 — 0,020 мм. Для повышения точности и снижения шероховатости поверхности несколько последних рабочих ходов детали производятся без поперечной подачи шлифовального круга.
188
I’m-. 5.8. Схемы шлифовальных операций на круглошлифовальном станке:
и - с продольной подачей; б — с радиальной подачей
При врезном шлифовании (см. рис. 5.8, б) обработка ведется часто в автома-iплеском режиме широким шлифовальным кругом сразу по всей длине шлифуемой поверхности. Этот способ является наиболее эффективным при совмещенном шлифовании нескольких поверхно-сюй на одном станке.
В основном у большинства круглошлифовальных станков скорость вращения шлифовального круга составляет
30 м/с, а окружная скорость детали зави-
сит от ее диаметра и равна 10—50 м/мин. Современные шлифовальные станки для скоростного шлифования допускают скорость резания К = 60—80 м/с; при этом для уменьшения теплового контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью окружную скорость детали принимают из отношения VJVR — 60—80. Наибольшая эффективность достигается при использовании в качестве СОЖ масла.
При обработке некоторых поверхностей эффективно использование упрочняющего шлифования. Суть этого способа заключается в концентрации теплоты и увеличении времени его воздействия в области контакта шлифовального круга с деталью и быстрым ее охлаждением после обработки. Упрочняющее шлифование обеспечивает при обработке деталей из конструкционных сталей при исходной твердости 22 HRC3 твердость 51,5—57 HRC3 на глубину до 1,30 мм с получением в упрочненном слое структуры мелкодисперсного мартенсита. Процесс упрочняющего шлифования с последующей обработкой обеспечивает точность обрабатываемых поверхностей до 6—9-го квалитетов и Ra — 2,5—0,63 мкм.
Наиболее широко упрочняющее шлифование применяют при обработке тонкостенных деталей, сквозное прокаливание которых недопустимо, фасонных поверхностей, галтелей или радиусных сопряжений и других элементов, когда закалка ТВЧ
связана с технологическими трудностями.
При обработке на бесцентрово-шлифовальных станках (рис. 5.9, а) деталь 2 не закрепляется, а свободно размещается на специальной опорной линейке 3 со скосом между двумя абразивными кругами, из которых один 4 (большего диаметра) является
a б
Рис. 5.9. Схемы бесцентрово-шлифовальной операции:
а — с продольной подачей; 6 с радиальной подачей
шлифующим, другой Z (меньшего диаметра) — ведущим. Трение между поверхностями ведущего круга и обрабатываемой детали больше, чем между поверхностями детали и шлифующего круга. Вследствие этого деталь увлекается во вращение ведущим кругом со скоростью Рд, близкой к его окружной скорости. Шлифовальный и ведущий круги вращаются в одном направлении, но с разными окружными скоростями. Скорость шлифующего круга Ушк - 30—35 м/с, а ведущего — Увк = 20—30 м/мин.
Бесцентровое шлифование может осуществляться при продольной и поперечной (рис. 5,9, б) подачах. Шлифование с продольной подачей применяют при обработке деталей с гладкой цилиндрической поверхностью, с поперечной подачей — главным образом при обработке деталей с буртиками, фасонной поверхностью или деталей, имеющих форму конуса.
При шлифовании с продольной подачей ось ведущего круга в .зависимости от требуемой шероховатости и величины продольного перемещения детали устанавливается по отношению к оси шлифовального круга под углом а = 1—5°. Глубина резания находится в пределах tp = 0,05—0,10 мм для предварительных проходов и Гр == 0,01—0,03 мм — для окончательных, подача ведущего круга принимается равной S ~ 0,003—0,020 мм на один оборот детали.
Применение при бесцентрово-шлифовальной операции абразивных кругов шириной 500—800 мм позволяет по сравнению с обработкой кругами шириной 150 мм сократить число проходов примерно в 2 раза, увеличить скорость продольной подачи до 4,10 м/мин, удалить припуск до 0,40 мм.
При шлифовании с поперечной подачей ведущий круг перемещается по направлению к шлифующему до тех пор, пока не будет получен необходимый размер детали. Подача ведущего круга принимается равной 0,003—0,020 мм на один оборот детали. 190
!срёд обработкой деталь размещают на опорной линейке сверху ли сбоку. После завершения шлифовальной операции ведущий руг отводится и обработанная деталь удаляется из зоны резания.
При обработке фасонных поверхностей шлифовальный круг ыбирают и устанавливают в соответствии с профилем обраба-ываемой детали.
Суперфинишная операция яъля&тся отделочной операцией и спользуется для уменьшения шероховатости поверхности после сновной обработки. При этом поверхность получается чрезвы-айно гладкой, что обеспечивает удовлетворительную работу деалей в сопряжении. Суперфинишная отделка осуществляется плифовальными или алмазными брусками, закрепленными в медиальной головке / (рис. 5.10), при сочетании вращательного движения детали 3, возвратно-поступательного и колебательно-о движений брусков 2 с частотой колебаний 400—1200 Гц и ам-иштудой А = 3—5 мм.
Скорость вращения детали при черновой обработке Уя — 10—13 м/мин, при чистовой — 26 м/мин. Толщина удаляемого слоя металла в зависимости от режимов обработки достигает 20 мкм. Давление брусков на обрабатываемую поверхность составляет 0,3—0,4 МПа. Скорость продольного перемещения брусков S не превышает 10—20 м/мин. При выполнении суперфинишной операции необходимо применение СОЖ.
В процессе суперфиниширования значение параметра шероховатости поверхности снижается до Ra=0,08 мкм, площадь опорной поверхности увеличивается до 70—90 %.
Полировальную операцию применяют для уменьшения шероховатости поверхности и придания ей зеркального блеска. Процесс обычно осуществляют эластичными кругами, изготовленными из войлока, капрона, фетра и других материалов с применением полировальных паст или мелкозернистых абразивных порошков, смешанных со смазочным материалом.
Рис. 5.10. Схема суперфинишной операции
191
Микрофиниширование также используют для полирования поверхностей. В качестве инструмента для чистовой микрофиниш-ной операции применяют алмазные бруски и алмазные ленты. В процессе обработки фактическое давление резания определяют не силой прижима инструмента и формой обрабатываемой поверхности, а в основном упругостью связки. При этом возникает амортизация алмазных зерен, поэтому инструмент подвергается воздействию низких или мало изменяющихся давлений, что обусловливает повышенную стойкость алмазного инструмента по сравнению с абразивным.
В процессе алмазного полирования размер уменьшается на 1—4 мкм, и значение параметра шероховатости поверхности снижается с Ra — 1,20—0,32 мкм до Ra — 0,32—0,08 мкм.
Погрешности формы, а также местные дефекты (риски, раковины и др.), оставшиеся от предшествующих обработок, при полировании не удаляются.
5.4. Обработка винтовых поверхностей резьбы
По назначению резьбовые соединения классифицируют на ходовые, конические и крепежные.
Широкое распространение получили резьбы с треугольным профилем, трапецеидальные, прямоугольные, радиусные, а также различные их модификации.
Метрические резьбы выполняются с отклонениями, обозначаемыми для внутренних резьб (гаек) Е, F, Н, G; для наружных (болты) — h, g, е, d, f. Поля допусков устанавливаются в классах точности резьб (точные, средние и грубые) и в соответствии с ними устанавливаются поля допусков (табл. 5.1, 5.2).
Таблица 5.1. Поля допусков наружных резьб
Класс Резьбы
точности короткие нормальные длинные
Точный Средний Грубый 5g6g (3h3h) (5h6h) 6d бе 6f 4g [6g] 8s 4h 6h (7e6e) 7g6g 9g8s (5h4h) (7h6h)
* Только для резьбы с шагом Р > 0,8 мм Дня резьбы с шагом Р < 0,8 мм применяется поле допуска 8h6h.
Примечание. Поля допусков, заключенных в квадратные скобки, следует применять предпочтительно. Применение полей допусков, заключенных в круглые скобки, следует, по возможности, ограничить.
192
Таблица 5.2. Поле допуска внутренних резьб
Класс точности Резьбы
короткие нормальные длинные
Точный 4Н 4Н 5Н6Н 6Н
< редкий (5G) 5Н 6G [6Н] (7G) 7Н
1 рубый 7G 7Н 8G 8Н
Примечание. См. в табл. 5.1.
Существуют различные способы изготовления винтовых поверхностей резьбы. Наиболее характерные способы формирования резьбы приведены в табл. 5.3.
Таблица 5 3. Способы формирования резьбы
Способ обработки поверхности детали Инструмент Классточности Параметр шероховатости поверхности Ra, мкм
Резьбонарезание Резец, гребенка Средний, 3,20—1,25
грубый
Плашка Грубый 12,50-2,50
Резьбонарезная головка Точный, 2,50-1,25
(Д средний
н Фреза Средний, 3,20-2,50
ц грубый 3,20-1,25
Средний,
грубый 6,30-2,50
к Шлифовальный круг Точный 1,25-0,32
ЭД Метчик Точный, 3,20-1,25
средний
1laxanfea поверхности: Грубый 6,30-3,20
нешлифованной Плашка Средний, 3,20-1,25
Ролик грубый 2,50-0,63
Средний
шлифованной Плашка, ролик Точный 1,25-0,32
Инутренняя накатка Метчик, раскатник Средний 2.50-0,63
Резьбонарезание резпами или гребенками обычно осуществляется на токарно-винторезных и револьверных станках. В процессе обработки резец, закрепленный в резцедержавке, перемещается вдоль оси нарезаемой поверхности на один шаг резьбы ш один оборот детали. Профиль резца соответствует профилю нарезаемой резьбы. Резьбонарезание обычно производится за несколько проходов, число которых зависит от диаметра детали, фебуемой точности и твердости обрабатываемого материала.
IJ- 5935
193
Многониточными резьбовыми гребенками резьба может быть нарезана за один проход при условии наличия сбега резьбы. Гребенка имеет резьбу неполного профиля, выполняющую основную функцию калибрующих зубьев. Иногда резьбы с большим шагом нарезают резьбовым блоком.
Более высокую режущую способность получают на резьботокарных станках, снабженных гидрокопировальным суппортом. При этом использование резцов с механическим креплением профильных твердосплавных пластин особенно эффективно в тех случаях, когда необходима строгая концентричность и перпендикулярность резьбы относительно поверхностей обрабатываемой детали.
Наиболее прогрессивный способ формирования винтовой поверхности резьбы — скоростное нарезание вращающимися резцами (вихревое нарезание). Процесс вихревого нарезания можно вести как внешним (рис. 5.11, а), так и внутренним касаниями (см. рис. 5.11, б) инструмента и обрабатываемой поверхности детали.
Нарезание резьбы данным способом может осуществляться на токарных и резьбонарезных станках.
Главное движение в процессе резания сообщается резцовой головке Z, в которой может быть закреплено несколько резцов, армированных твердым сплавом. Ось резцовой головки наклонена к оси обрабатываемой детали под определенным углом для обеспечения одинаковых условий работы профилирующих режущих кромок резцов и устранения подрезания профиля резьбы.
За каждый оборот медленно вращающейся детали 2 резцовая головка перемещается на один шаг нарезаемой резьбы. Нарезание всей резьбы производится за один проход, при этом процесс резания протекает прерывисто. При внутреннем касании кривизна траектории вершин резцов близка к кривизне обрабаты-
Рис. 5.11. Схемы вихревого нарезания резьбы. а — наружное касание; б — внутреннее касание
194
[васмой поверхности, поэтому резцы при удалении очередной шружки врезаются плавно. При данном способе нарезания резь-’С>ы возникают меньшие ударные нагрузки и вибрация, чем при [внешнем касании.
| Для обеспечения высокой стойкости резцов и качества вин-|овой поверхности резьбы инструмент и нарезаемая деталь [должны вращаться в одном направлении при внешнем касании |и в противоположных направлениях при внутреннем касании. [Оптимальная скорость резания, соответствующая главному дви-1жснию резания резцовой головки, К = 200—320 м/мин, круговая подача детали S = 0,2—0,8 мм/об.
Нарезание резьбы при внутреннем касании поверхности резания целесообразно использовать для нарезания треугольных, [Мелких и средних трапецеидальных резьб, при внешнем касании — для нарезания крупных трапецеидальных резьб.
При нарезании резьбы круглыми плашками получают поля допусков наружной резьбы 6h—8g. При обработке плашки закрепляют в специальных державках на револьверных станках и автоматах. Основным недостатком нарезания резьбы плашками является необходимость реверсирования хода, что увеличивает па 30—40 % время обработки и ухудшает качество резьбы.
Резьбонарезание самораскрывающимися головками с радиальными, тангенциальными и круглыми плашками — наиболее распространенный способ при обработке цилиндрических и конических резьб диаметром до 64 мм. При этом производительность процесса в 6—8 раз выше по сравнению с процессом нарезания круглыми плашками. Схемы нарезания резьбы резьбонарезными головками представлены на рис. 5.12.
5. 5.12. Схемы нарезания резьбы резьбонарезными головками различными плашками
радиальными плоскими, б—тангенциальными, в — круглыми, 1 — плашки, 2 — обрабатываемая деталь
195
Процесс нарезания резьбы резьбонарезными головками осуществляют на болторезных, сверлильных, револьверных и агрегатных станках, одно- и многошпиндельных токарных автоматах, вертикальных многошпиндельных токарных полуавтоматах. При этом нарезание производится в основном с принудительной осевой подачей головки, равной шагу резьбы. Однако в некоторых случаях допускается процесс самозатягивания, при котором принудительная подача используется только в начальный период резьбонарезания. В конце рабочего хода плашки автоматически раздвигаются и резцовая головка свободно сходит с нарезанной поверхности. Сближение плашек происходит при отводе головки в исходное положение.
Наиболее распространены резьбонарезные головки с круглыми плашками, так как при их применении допускается наибольшее число переточек. Использование головок с числом плашек более четырех обеспечивает резьбонарезание деталей с лысками и шпоночными пазами без последующего снятия заусенцев, скорость резания при этом = 14—18 м/мин.
Фрезерование резьб осуществляют дисковой или групповой фрезой. Дисковые фрезы в основном применяют для нарезания резьб с большим шагом, а групповые фрезы—для получения коротких резьб с малым шагом. В процессе обработки ось дисковой фрезы 2 располагается по отношению к оси обрабатываемой детали 1 под углом, равным углу наклона витка резьбы (рис. 5.13, а). Профиль дисковой фрезы соответствует профилю нарезаемой резьбы. При нарезании резьбы фреза, вращаясь, перемещается вдоль оси обрабатываемой детали на один шаг за один
Рис. 5.13. Схемы фрезерования резьбы различными фрезами: а — дисковой; б1—групповой
196
оборот детали. Дисковые фрезы обычно применяют при черно-вон обработке винтов и червяков.
Групповые фрезы — наборы отдельных дисковых фрез, собранных на одной оправке. Ширина фрезы на 2—3 шага больше имины нарезаемой части резьбы. Нарезание этими фрезами осуществляют на резьбофрезерных станках при параллельном расположении осей инструмента и обрабатываемой детали (см. рис. 5.13, б). Полное формирование профиля резьбы осуществляется ш 1—2 оборота детали, причем 0,2 оборота детали необходимы ция врезания фрезы на глубину резьбы и перекрытия участка врезания на каждой из ниток резьбы. Во время полного оборота де-1али фреза перемещается на один шаг резьбы Скорость резания соответствует 35—65 м/мин, круговая подача 0,02—0,06 мм/зуб фрезы.
Накатка резьбы является высокопроизводительным процессом, обеспечивающим увеличение усталостной прочности до 25 %, по сравнению с изготовлением резьбы путем удаления стружки. Резьба накатывается в холодном состоянии на деталях из любо-ю пластичного материала. В массовом производстве используют материал, твердость которого не превышает 34 HRCa- Резьбу можно накатывать тремя способами при различных видах полам — радиальной, тангенциальной или осевой (рис. 5.14) на специальных резьбонакатных станках.
Накатку резьбы при радиальной подаче осуществляют одним (см. рис. 5.14, I, а), двумя (см. рис. 5.14, II, а) или тремя роликами (см. рис. 5.14, III, а). Наиболее широко распространена накатка резьбы двумя роликами. Оба ролика 1 вращаются синхронно, а деталь 2, установленная на опорном ноже 3, свободно обкаливается между ними. Одному из роликов сообщается радиальное перемещение для вдавливания в металл накатываемой детали па полную глубину с последующей выдержкой на постоянном упоре. В некоторых случаях при накатке деталей, установленных в центрах или на оправках, используются симметричные перемещения двух роликов в радиальном направлении.
В зависимости от диаметра накатываемой резьбы, точности и материала обрабатываемой детали скорость роликов может быть в пределах 12—100 м/мин. Накатку с радиальной подачей в основном применяют для формирования профиля коротких резьб на деталях простой конструкции. Накатку резьб с тангенциальной подачей производят плоскими и сегментными плашками или двумя цилиндрическими роликами с постоянным межосевым расстоянием.
к
а I
Рис. 5.14. Схемы накатки резьбы различными способами:
а — при радиальной подаче, б, в, г — при тангенциальной подаче; д, е, ж — фасонными накатниками
При накатке резьбы плоскими плашками (см. рис. 5.14, б) одна из них неподвижна, а другая, установленная на ползуне, может совершать прямолинейное возвратно-поступательное движение. На плашках имеются рифления с профилем и углом подъема, соответствующими профилю и углу подъема накатываемой резьбы.
В конце рабочего хода накатанная деталь свободно выходит из зоны обработки, не затягиваясь обратно при возвращении подвижной плашки в первоначальное положение, так как неподвижная плашка несколько короче подвижной. Плоскими плашками в основном накатываются резьбовые поверхности диаметром 2—25 мм и длиной до 125 мм. Число двойных ходов подвижной плашки в зависимости от материала и твердости накатываемой детали находится в пределах 120—180 дв.х./мин.
Накатку сегментной плашкой и непрерывно вращающимся роликом (см. рис. 5.14, в) осуществляют на планетарных резьбонакатных автоматах. В рабочей зоне одновременно находятся несколько накатываемых деталей, проходящих этапы формиро-198
вания профиля резьбы, что обеспечивает высокую производительность процесса.
Накатку резьбы при тангенциальной подаче (см. рис. 5.14, г) осуществляют также двумя резьбонакатными роликами различных или одинаковых диаметров, затылованными роликами или специальной роликовой державкой.
При накатке двумя роликами различных диаметров и с постоянным межосевым расстоянием (см. рис. 5.14, г) формирование профиля резьбы (до М5) осуществляется в результате самозатяги-вания (протаскивания) обрабатываемой детали между роликами вследствие различия их окружных скоростей. Тот же эффект может быть достигнут при использовании роликов одинаковых диаметров, но вращающихся с различными окружными скоростями.
Накатка резьбы при тангенциальной подаче может также осуществляться в автоматическом режиме непрерывно вращающимися затылованными роликами, имеющими загрузочный, заборный, калибрующий и сбрасывающий секторы (см. рис. 5.14, д). Производительность процесса при одноцикличной накатке резьбы с частотой вращения роликов 25 мин-1 позволяет изготовить до 25 деталей в минуту. Увеличение производительности можно достигнуть путем применения различных режимов накатки и увеличения частоты вращения роликов. Накатка специальными двухроликовыми державками при тангенциальной подаче (см. рис. 5.14, е) осуществляется преимущественно при формировании короткого профиля резьбы на многошпиндельных токарных автоматах у деталей со стороны, свободного конпа или со стороны отрезки.
Накатку резьбы при осевой подаче осуществляют несколькими равномерно расположенными по окружности роликами, снабженными заборными частями при неизменном межосевом расстоянии (см. рис. 5.14, ж). В зависимости от типа применяемых роликов с винтовыми или кольцевыми нитками их оси по отношению к оси накатываемой детали могут быть параллельными или находиться под углом о, равным углу ц подъема резьбы. Этим способом можно накатывать резьбы неограниченной длины. Скорость накатки в зависимости от материала детали может быть равной 30—90 м/мин.
Винтовые поверхности резьбы закаленных деталей шлифуют однониточным или многониточным кругом на специальных резьбошлифовальных станках. Профиль шлифовального круга должен соответствовать профилю впадины резьбы. Процесс обработки аналогичен процессу резьбофрезерования.
199
Мелкие резьбы с шагом до S = 1,50 мм получают шлифованием без предварительной обработки, резьбы с большим шагом, трапецеидальные, шариковые и т. п. — только после их нарезания до термической обработки.
Шлифование однониточным кругом при продольном перемещении его вдоль оси детали обеспечивает получение резьбы высокой точности. Шлифование многониточным кругом с поперечным врезанием применяют преимущественно при обработке коротких резьб с малым шагом. Данный процесс более производителен, но обеспечивает меньшую точность по сравнению с шлифованием однониточным кругом.
Длинные резьбы шлифуют многониточным кругом, имеющим конусную заборную и цилиндрическую части, при продольном его перемещении вдоль оси обрабатываемой детали. Окончательная отделка профиля резьбы в данном случае производится профилем цилиндрической части шлифовального круга. При этом достигаемая точность несколько выше, чем при шлифовании многониточным кругом с врезной подачей.
Резьбонарезание на внутренних поверхностях деталей больших диаметров выполняется резцом, групповой фрезой или раздвижными плашками аналогично нарезанию наружной резьбы. Однако гораздо чаще нарезать резьбу необходимо в отверстиях малого диаметра. В этом случае наиболее распространенным и производительным является способ нарезания резьбы метчиками. Метчики бывают ручные (одно-, двух- и трехкомплектные), машинные и гаечные.
Резьбонарезание машинными метчиками сопровождается принудительным вращением инструмента или детали при ручной или автоматической подаче. Для совпадения осей нарезаемого отверстия и метчика инструмент крепится в плавающем патроне станка.
Нарезание обычно производят с реверсированием, т. е. с изменением направлений вращения и подачи после окончания рабочего хода специальным реверсивным механизмом, при этом частота вращения значительно больше, чем на рабочем ходу, что позволяет экономить время на вывинчивание.
При обработке глухих отверстий для предотвращения поломок метчика при его упоре в дно отверстия или при заклинивании применяют предохранительные патроны, которые с помощью специальных пружин или дисков трения настраиваются на величину крутящего момента.
200
Нарезание резьб в отверстиях диаметром более 35 мм и с ша-сгом не более 3 мм производят резьбонарезными головками с ^убирающимися в конце рабочего хода плашками.
Скорость резания при работе машинными метчиками в зависимости от материала обрабатываемой детали рекомендуется принимать 4—25 м/мин, подачу инструмента — в соответствии с шагом нарезаемой резьбы.
Для нарезания резьбы в гайках без реверсирования обычно используют гаечные метчики с длинным прямым хвостовиком при условии их быстрой замены в патроне сверлильного станка. По мере заполнения хвостовика гайками метчик вынимают из патрона, гайки пересыпают в тару, и процесс повторяют.
Производительность нарезания резьб в гайках повышают при использовании гайкорезных автоматов с метчиками, имеющими изогнутый хвостовик, вставленный в разъемный патрон с каналом соответствующей формы. До начала работы изогнутый хвостовик метчика заполняется нарезанными гайками, что позволяет его центрировать в направляющей втулке. Заготовки гаек автоматически подаются из бункера на рабочую позицию, постепенно продвигаясь вдоль метчика, одна за другой перемещаются по хвостовику и падают в тару. Современные одношпиндельные гайкорезные автоматы, работая со скоростями резания до 100 м/мин, могут при нарезании гаек М10 обеспечить производительность до 300 шт./мин.
5.5. Обработка поверхностей шлицевых соедииений
Шлицевые соединения наиболее широко применяют для передачи крутящих моментов и фиксации положений отдельных деталей. Наибольшее распространение получили три основные формы профилей шлицевых соединений — прямобочная, эволь-вентная и треугольная. Эти соединения классифицируют по способу центрирования:
& J по наружному диаметру шлицев вала;
Е J по внутреннему диаметру шлицев вала;
F J по боковым поверхностям шлицев
В зависимости от способа центрирования сопряженных деталей выбирают методы механической обработки шлицевых поверхностей. Возможные способы обработки шлицев на валах:
201
Jфрезерованием червячными шлицевыми или дисковыми фрезами;
J долблением круглыми долбяками или многорезцовой головкой;
ь J точением обкатными резцами;
•/ протягиванием многолезвийным инструментом;
J накаткой;
J шлифованием.
Фрезерование шлицев на валах червячными фрезами — наиболее распространенный способ обработки, аналогичный нарезанию зубьев зубчатых колес Шлицефрезерование может осуществляться за одну или две операции одно- и двухзаходными фрезами на специальных шлицефрезерных или зубофрезерных станках, предназначенных для данной обработки.
Долбление круглыми долбяками, точение обкатными резцами, фрезерование дисковыми фрезами, долбление многорезцовыми головками и протягивание также аналогичны соответствующим способам нарезания зубьев
Наиболее производительным процессом является холодная накатка шлицев, обеспечивающая более высокое качество, чем при обработке резанием, низкую стоимость инструмента и большую экономию металла.
Наибольшее распространение получили три основные метода накатки шлицев'
J многороликовой головкой с числом роликов, равным числу шлицев,
роликовыми головками с одним или несколькими эксцентрично вращающимися накатными роликами;
J профилированными плоскими рейками.
Многороликовой головкой рекомендуется накатывать шлицы с числом зубьев z < 20 и высотой зуба не более 6 мм. В процессе накатки свободно вращающиеся на осях ролики, расположенные радиально в корпусе головки, при ее перемещении вдоль оси обрабатываемого вала, вдавливаясь в поверхность, образуют шлицы, форма которых соответствует рабочему профилю роликов Получаемая точность по шагу 0,04 мм, отклонение от прямолинейности находятся в пределах 0,03—0,05 мм на 100 мм длины, отклонения значения толщины шлицев 0,04—0,08 мм, Ra — 0,63—0,32 мкм.
Накатка роликовыми головками с одним или несколькими эксцентрично вращающимися накатными роликами (рис 5 15, а) применяется для обработки шлицев любого профиля с числом 202
Рис. 5.15. Схемы накатки шлицев а — круглыми накатниками, б — плоскими накатниками
зубьев z > 8 В процессе обработки роликовые головки синхронно вращаются относительно накатываемой детали 2 в противоположных направлениях. При этом накатные ролики 7, описывая дугу, периодически с большим числом ударов в единицу времени соприкасаются с обрабатываемой поверхностью.
Накатываемая деталь 2 при вращении совершает еще поступательное перемещение в осевом направлении. При комбинированном движении детали постепенно формируются впадины шлицев определенной формы Накатные ролики изготавливают из высокохромистых или быстрорежущих сталей твердостью 65-69 HRC3.
Данный способ обеспечивает точность по шагу 0,01 мм, допуск радиального биения 0,060 мм, отклонение шлицев от параллельности 0,015 мм на длине 350 мм, допуск формы профиля 0,015 мм, На = 0,63—0,32 мм. Производительность процесса в 5—6 раз выше, чем при фрезеровании червячными шлицевыми фрезами
Процесс накатки осуществляется практически без отхода металла и вследствие уплотнения поверхностного слоя способствует увеличению долговечности деталей.
Накатку двумя профилированными плоскими рейками (см. рис. 5 15, б) в основном применяют для формирования эволь-вентных шлицев и шлицев с модулем зубьев m < 1,60 мм.
203
В процессе накатки обрабатываемая деталь /, установленная в центрах, свободно вращается вокруг своей оси под воздействием движущихся синхронно в противоположных направлениях накатных реек 2, расположенных на специальных ползунах Ширина реек выбирается равной длине накатываемой части шлицев, а длина зависит от конструкции применяемого накатного станка Рабочая часть реек состоит из конусной заборной части, равной 2/3 общей длины рейки, и калибрующей части с постоянной высотой зубьев, длина которой должна быть не менее длины делительной окружности накатываемого шлицевого вала.
Зубья заборной части накатных реек при их перемещении захватывают обрабатываемую деталь и сообщают ей вращательное движение между рейками. Калибрующие зубья, имеющие полную высоту профиля, окончательно формируют требуемый профиль шлицев Обрабатываемая деталь в контакте с этими зубьями должна поворачиваться на один оборот Твердость обрабатываемой детали не должна превышать 44,5 HRC© Данный способ накатки предназначен для обработки валов с внешним диаметром не более 50,8 мм, углами профилей шлицев 30°, 37°30' и 45°. Допуск на внешний диаметр вала не должен превышать 0,04—0,06 мм. Время накатки шлицев в среднем составляет 4 с Параметр шероховатости обработанной поверхности находится в пределах Ra ~ 0,32—0,20 мкм. Точность обработки по диаметральным размерам соответствует 13-му квалитету. Процесс накатки характеризуется высокой производительностью.
После нарезания и термической обработки шлицев производят их шлифование на шлицешлифовальных станках с горизонтальной осью вращения круга и возвратно-поступательным ходом стола После каждого двойного хода стола обрабатываемая деталь автоматически с помощью специальных делительных устройств поворачивается вокруг своей оси Таким образом шлифовальный круг обрабатывает шлицы постепенно один за другим.
В зависимости от способов центрирования шлицевых соединений шлифование можно производить по одной из схем, представленных на рис 5 16 При центрировании шлицевых соединений по внугреннему диаметру шлицев вала производят шлифование боковых сторон и дна впадин Шлифование производится за одну или две операции. За одну операцию шлифование может осуществляться тремя цилиндрическими (см рис. 5.16, а), двумя профильными (см рис. 5.16, б) или одним фасонным кругом (см рис. 5.16, в), форма которого соответствует форме впадины. Шлицы можно также отшлифовать за две операции (см 204
a
Рис. 5.16. Схемы шлифования шлицев
рис 5 16, г): на первой операции шлифуют только боковые стороны шлицев двумя цилиндрическими кругами, на второй — внутреннюю цилиндрическую поверхность впадины одним шлифовальным кругом.
При центрировании шлицев по наружному диаметру шлифуют только наружную поверхность вала на обычных круглошлифовальных станках
Вопросы для самопроверки
[ 1 Каковы основные способы формирования резьбы*7
? 2 Каковы особенности резьбонарезания самораскрывающимися го-
Ж ловкамн9
fe 3 Каковы способы образования шлицевых поверхностей*7
Глава 6
Технологические процессы обработки валов двигателей ,
Валы двигателей работают в напряженных условиях повышенных нагрузок и частоты вращения, что обусловливает высокие требования к их изготовлению.
Валы имеют сложную фасонную конструкцию и обычно представляют собой сочетание гладких шеек, шлиц, резьбы, фланцев, зубчатых венцов и т. д. Основные отверстия по условию равнопрочности детали могут быть гладкими, ступенчатыми и фасонной формы. Кроме того, большинство валов имеют радиальные отверстия для смазывания трущихся поверхностей.
Коленчатые и распределительные валы двигателей ввиду сложности конструкций относятся к особой группе.
6.1. Конструктивные особенности коленчатых валов и основные требования к их изготовлению
Коленчатый вал — одна из наиболее ответственных деталей поршневых двигателей. Он служит для преобразования возвратно-поступательного движения шатунно-поршневой группы во вращательное и передает крутящий момент трансмиссии. При этом коленчатый вал испытывает сложные нагрузки, подвергаясь скручиванию и изгибу. Конструкция и размеры коленчатых валов определяются типом двигателя, числом цилиндров и их расположением.
Коленчатые валы автомобильных двигателей имеют от двух до девяти опор. Число шатунных шеек при однорядном расположении коленчатого вала равно числу цилиндров. При V-образной конструкции двигателя число шатунных шеек в два раза меньше числа цилиндров. Число коренных шеек обычно принимают на единицу больше числа цилиндров. Для малонагруженных одно-рядрых двигателей коленчатые валы можно изготавливать с меньшим количеством опор. Однако в связи с ростом расстояния между опорами размеры шеек коленчатого вала для сохранения необходимой жесткости приходится увеличивать.
206
На рис. 6.1 показана конструкция коленчатого вала двигателя автомобиля ВАЗ-2106. Вал имеет пять опорных коренных и четыре шатунные шейки. Щеки коленчатого вала, прилегающие к коренным шейкам /, Ш и V, имеют развитые противовесы Hi—П4, служащие для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил. Для смазывания трущихся поверхностей шатунных шеек в вале просверлены масляные каналы, обеспечивающие подачу масла от коренных шеек.
Задняя часть вала — хвостовик — имеет фланец, к которому восемью самостопорящимися болтами крепится маховик, фиксируемый центральным отверстием. Для обеспечения при сборке строго определенного положения маховика по отношению к коленчатому валу отверстия для болтов во фланце маховика располагаются несимметрично. Для установки подшипника первичного вала коробки передач в торце фланца растачивается отверстие диаметром 34,4 мм.
На переднем конце коленчатого вала устанавливаются звездочка цепного привода механизма газораспределения и шкив генератора, которые фиксируются при помощи сегментной шпонки и крепятся храповиком, затягиваемым с торца вала.
Коленчатый вал является весьма нетехнологичной деталью вследствие недостаточной жесткости и сложности его конструкции. Поэтому, учитывая высокие требования к точности его изготовления, при разработке процесса механической обработки особое внимание уделяют выбору методов базирования, закрепления и последовательности выполнения операций.
Основные требования к механической обработке валов. Напряженные условия работы коленчатых валов обусловливают высокие требования к точности их размеров, геометрической формы и взаимного расположения поверхностей.
Механическая обработка основных поверхностей коленчатых валов характеризуется следующими осредненными параметрами:
Рис. 6.1. Схема коленчатого вала двигателя автомобиля ВАЗ-2106
207
J коренные и шатунные шейки должны обрабатываться по 6—7-му квалитетам с допуском 0,01—0,005 мм;
Jдопуск формы рабочих шеек должен составлять не более 0,004 мм;
^допуск биения в заданном направлении должен быть в пределах: для коренных шеек — 0,01—0,05 мм, торна фланца на длине радиуса — 0,02—0,05 мм;
J отклонение от плоскостности торца фланца должно быть не более 0,04—0,1 мм;
Jотклонение от параллельности осей шатунных, крайних коренных шеек не должно превышать 0,01—0,03 мм по длине шейки;
J значение параметра шероховатости поверхности коренных и шатунных шеек должно находиться в пределах Ra ~ 0,32—0,16 мкм;
Jдисбаланс коленчатых валов 15 — 40 г/мм;
J коренные и шатунные шейки после термообработки должны иметь твердость 60—63 HRC3 при глубине закаленного слоя 3,0—4,5 мм.
Коленчатые валы в основном изготавливают из качественных и легированных сталей или модифицированного чугуна. Материалы для изготовления коленчатых валов должны обладать высоким сопротивлением усталости, вязкостью, износостойкостью, пределом прочности 750—850 МПа и пределом упругости 600—650 МПа. Такими материалами являются углеродистые стали 45А, 45, 45Г2. Для форсированных двигателей применяют легированные стали 8Х2НЧВА, Г8НМА, 40ХНМА, 42ХМФА.
Литые коленчатые валы изготавливают из высокопрочного магниевого чугуна с шаровидной формой графита. Механические свойства такого чугуна не отличаются от свойств высококремнистых сталей, содержащих графит шаровидной формы. Заготовки из этого чугуна имеют плотную структуру и хорошо обрабатываются режущими инструментами.
Заготовки литых коленчатых валов получают литьем в песчаные и оболочковые формы. Отливки, полученные корковым литьем, имеют высокую точность, соответствующую 12—14-му квалитетам, припуски на обработку составляют 1,5—3,0 мм. Высокая точность изготовления этих заготовок позволяет в ряде случаев не использовать токарную обработку отдельных поверхностей и начинать их обработку непосредственно со шлифования, что значительно снижает трудоемкость механической обработки. Литые коленчатые валы имеют высокую износостойкость
208
шеек и хорошие эксплуатационные качества. Заготовки литых коленчатых валов очищают на дробеметных установках, подвергают термообработке, обеспечивая твердость после нормализации 235—265 НВ, а затем правят на прессах при температуре около 600 °C.
После повторной дробеметной очистки, контроля твердости, степени сфероидизации графита, магнитоскопического контроля заготовки поступают на механическую обработку. Заготовки стальных коленчатых валов получают ковкой или штамповкой на молотах и прессах. Изготавливают заготовки коленчатых валов на поточно-механизированных и автоматических линиях.
В качестве примера служит процесс получения заготовки коленчатого вала двигателя автомобиля КамАЗ. Исходным материалом для поковки является горячекатаная легированная ванадием сталь марки 42ХМФА.
Автоматическая линия состоит из индукционных нагревателей с автоматической загрузкой, одноклетьевых двустоечных вальцов, кривошипного горячештамповочного пресса, обрезного гидравлического пресса, гидравлического пресса для выкрутки колен, гидравлического пресса для правки, оборудования для термообработки и контроля твердости поковок. Предусмотрены камерная нагревательная печь и гидроустановка для очистки заготовок от окалины. Линия оснащена центральным пультом управления. Агрегаты на линии связаны между собой манипуляторами, подъемными устройствами, конвейерами.
В табл. 6.1 приведена технология изготовления вала. Современные технологические процессы изготовления штампованных заготовок коленчатых валов автомобильных двигателей позволяют обеспечить следующие точностные параметры: штамповочные уклоны до 4°, отклонение от прямолинейности оси вала 1—1,3 мм, смещение по разъему не более 1,8 мм, допуск биения средней коренной шейки относительно / и VI (см. рис. 6.1) не более 2,5 мм, биение хвостовика вала в заданном направлении не более 3 мм, отклонение от круглости шеек 1,5—2,0 мм, отклонение от перпендикулярности торца фланца 0,5—0,8 мм, припуски на механическую обработку 1,5—5 мм.
Технологический процесс обработки коленчатого вала двигателя легкового автомобиля. Стальные и чугунные коленчатые валы грузовых и легковых автомобилей обрабатывают по единой технологической схеме.
14—5935
209
Таблица 6.1. Технологический маршрут изготовления штамповки коленчатого вала
№ операции Наименование операций Оборудование Технологическая оснастка
10 Отрезка штанги диаметрам 158 ± 2 мм на длину 685 ± 3,0 мм с предварительным подогревом до температуры 450—550 ‘С Индукционный нагреватель, пресс-нож-ннцы Ножи, подъемное устройство
20 Нагрев заготовки до температуры 1220-1340’С Индукционный нагреватель ТВЧ Загрузочное устройство
30 Вальцовка в двух ручьях Одноклетьевые двухстоечные вальцы с межосевым расстоянием 930 мм Гидравлический манипулятор
40 Штамповка в трн перехода: гибка, предварительная и окончательная штамповки Кривошипный горяченггамновочный пресс
50 Обрубка Обрезной гидравлический пресс Два гидравлических манипулятора, ковочный штамп
60 Выкручивание колена Выкругной гидравлический пресс Обрезной штамп
70 Правка заготовки в двух ручьях Гидравлический пресс
80 90 Охлаждение заготовки до температуры 80 ’С Визуальный контроль дефектов Камера водяного охлаждения Гидравлический манипулятор
100 Термообработка: нагрев заготовки до температуры закалки, охлаждение заготовки до температуры 350—400 вС, охлаждение водой до температуры ниже 100 °C Печь для закалки Печь для отпуска Специальная камера охлаждения, установка для охлаждения водой Навесная машина
НО Очистка заготовок от окалины Дробеметная установка Закалочные ванны с маслом и с
120 Выявление внешних дефектов, определение структуры металла, твердости (248-288 НВ) Стенд для контроля 10 %-м водным раствором, подвесные конвейеры
Основными базами являются центровые отверстия при выполнении черновой и чистовой обработок, а также при доводке всех поверхностей вала, за исключением шатунных шеек. При обработке шатунных шеек за базы, как правило, принимаются предварительно обработанные коренные шейки вала, что позволяет обеспечить точность радиусов кривошипов и параллельность шатунных шеек коренным шейкам. Угловая ориентация при обтачивании шатунных шеек осуществляется по фрезерованным на щеках площадкам, которые при обработке ориентируются относительно необработанных шатунных шеек.
Для компенсации недостаточной жесткости коленчатых валов вводят промежуточные опоры, используя в качестве вспомогательных технологических баз предварительно обработанные поверхности коренных шеек.
Механическую обработку коленчатых валов производят на поточных, автоматизированных и комплексных автоматических линиях.
На рис. 6.2 представлена комплексная автоматическая линия для обработки коленчатого вала автомобиля ВАЗ. Коленчатый вал изготавливают из стали 45. Заготовку получают штамповкой на прессе с высадкой фланца. Твердость заготовки после нормализации не должна превышать 177—255 НВ. К точности обработки ос-। ювных поверхностей вала предъявляются жесткие требования:
Jдопуски на размеры шатунных и коренных шеек приняты ио 6—7-му квалитетам;
Рис. 6.2. Планировка автоматической линии обработки коленчатого вала автомобиля ВАЗ-2106
211
Sотклонение от круглости, конусности и вогнутости — 0,005—0,01 мм,
•''отклонение от параллельности осей шатунных шеек и крайних коренных шеек не должно превышать 0,01—0,03 мм;
✓ отклонения от плоскостности торца фланца не более 0,04—0,1 мм, допуск биения фланца на длине его радиуса — не более 0,03—0,05 мм,
Sзначение параметра шероховатости основных поверхностей Ra = 0,16—0,32 мкм
Эти требования обусловили необходимость создания такого технологического процесса, при котором обеспечивались бы максимальная точность и стабильность механической обработки.
Изготовление коленчатого вала производится на комплексной автоматической линии, состоящей из нескольких самостоятельных потоков по схеме (табл 6.2).
Таблица 62 Технологический процесс изготовления коленчатого вала
Содержание операции______
Операция 10 позиция I — загрузка, 2,3 — свободные, 4 — предварительное подрезание торцов,
5 — контроль длины,
Эскиз обработки
Оборудование
Автоматическая линия на 13 позиций
6 — окончательное подрезание торцов, зацентровка с двух сторон, расточка выточки на торце фланца, 7,8 — контроль, 9—11 — свободные,
12 — одновременное фрезерование восьми бобышек, 13 — разгрузка
212
Продолжение табл 6 2
Содержание операции Эскиз обработки Оборудование
Операция 20 Предварительное обтачивание пяте коренных шеек, хвостовика, поверхности фланца с проточкой канавки под стопорное кольцо и снятием фасок Автоматическая линия из токарных многорезцовых автоматов
Операция 30 Предварительное шлифование пяти коренных шеек и места под сальник Автоматическая линия из многокругловых шлифовальных станков
Операция 40 Предварительное обтачивание четырех шатунных шеек Автоматическая линия из специальных токарных станков
Операция 50 Позиция I — загрузка, 2,3,6,7 — сверление наклонного масляного канала на второй шатунной шейке и развертывание отверстий подзаглушку, 4, 5, 8, 9—свободные
10,11,15 слева — сверление, зенке-рование и развертывание отверстий под подшипник, 10,11,14,15 справа — сверление масляного канала на третьей шатунной шейке, 16,17 — свободные,
18 — поворот детали на 180°
Автоматическая линия иа 52 сверлильные позиции
213
Продолжение табл 6 2
Эскиз обработки
Оборудование
Содержание операции______
20 справа— фрезерование лысок на хвостовике, 19,20,23,24 слева — сверление масляного канала на первой шатунной шейке,
21,22—свободные, 27,28,32,33 слева — сверление восьми отверстий, снятие фасок в отверстии на фланце, 27,28,32,33 справа — сверление наклонного масляного канала на четвертой шатунной шейке, 30,31,34,35 —свободные,
36 слева—растачивание отверстий под подшипник, 37 — контроль, 38,39,40 — свободные,
41,42 слева — зен-кероваиие восьми отверстий во фланце,
41 справа — фрезерование шпоночного паза и обновление центра, 43 — свободная, 44 — поворот детали на 90°,
45,46 слева — нарезание резьбы в шести отверстиях фланца,
45,46 справа — за-сверливаиие и сверление отверстий в шатунных и коренных шейках, 47,48—свободные, 49 — вращение детали на 180°
В А
214
Продолжение табл 6 2
Эскиз обработки
Оборудование
Содержание операции
Операции 60,70,80
Контроль, промывка и обдув, закалка четырех шатунных и пяти ко-
Моечная машина для закалки
репных шеек
Операция 90б Окончательное шлифование пяти коренных шеек
Операция lOfta Окончательное шлифование торца фланца
Линия из кругяс-шлифовальиых автоматов с угловым расположением
Операция 1006 Окончательное шлифование шейки торца фланца
215
Продолжение табл 6 2
Содержание операции Эскиз обработки Оборудование
Операции 120, 130, 140 Окончательное шлифование поверхностей четырех шатунных шеек, контроль размеров Дефектоскопический контроль и размагничивание ’ и Ж 047.814
Операция 150а позиция 2 — определение дисбаланса, 3,4 слева —сверление восьми отверстий всредних противовесах, 3,4 справа — сверление восьми отверстий в крайних противовесах, 5 — определение дисбаланса, 6,7 (аналогично поз 3,4), 8 — окончательный контроль дисбаланса, Операция 1506 Контроль балансировки забракованных деталей Устранение дисбаланса шлифованием противовесов Автоматическая линия для балансировки
Операция 160 Подрезание торцов и галтелей на коренных шейках Токарный многорезцовый автомат
216
Продолжение табл 6 2
Эскиз обработки
Оборудование
Содержание операции_____
Операция 170,180
Окончательное подрезание торцов коренной задней шейки и опорного кольца звездочки привода распредвала
Зачистка заусен-цев и обдув_____
Операции 190,200
Полирование коренных и шатунных шеек, места под сальник на фланце
Промывка и обдув
Токарный многорезцовый автомат
Автоматическая линия из полировальных станков
Операцию 10 осуществляют на тринадцатипозиционной автоматической линии с жесткой связью.
Заготовку подают манипулятором на загрузочную позицию и устанавливают в самоцентрирующие призматические губки приспособления. Базирование заготовки осуществляют по поверхности первой коренной шейки и фланца. Осевую фиксацию производят самоцентрируюшим упором по шекам средней коренной шейки. Затем заготовка поступает на позицию, где выполняют предварительное подрезание торцов. После контроля длины специальным комбинированным инструментом производят окончательное подрезание торцов, их центрование и растачивание выточки на торце фланца.
На этой линии вместо обычных фрезерно-центровальных станков применяют торцеподрезные центровальные станки, а также специальный фрезерный станок с вертикальной головкой, имеющей пять вертикальных и один горизонтальный шпиндель, что позволяет одновременно на одной позиции фрезеровать восемь технологических бобышек. Деталь на этой позиции устанавливается в центрах, угловая ориентация ее производится по противовесу П] (см. рис. 6.1), а осевая фиксация — по щеке второй коренной шейки. Закрепление и привод вала осуществляют по первой со стороны хвостовика шатунной шейке (табл. 6.2, оп. 10)
Предварительное обтачивание пяти коренных шеек, хвостовика, поверхности фланца, протачивание канавки под стопорное кольцо и снятие фасок выполняют на специальных многорезцовых станках с центральным приводом, автоматической загрузкой и разгрузкой. Установку детали производят в центрах с угловой ориентацией по фрезерованным бобышкам противовесов и осевой фиксацией вала по торцу фланца. Закрепление и привод детали осуществляют по второй от хвостовика шатунной шейке (см. табл. 6.2, оп. 20). Станки позволяют обеспечить точность размера по диаметру до 0,1 мм.
Предварительное шлифование пяти коренных шеек и по-
верхности под манжету производят на специальных шестикруговых шлифовальных станках, снабженных электроиндуктивными приборами активного контроля. Станки имеют автоматическую загрузку и правку кругов. Правку кругов осуществляют алмазными роликами прямого профиля по копиру после обработки каждых 15—20 валов.
Коленчатый вал на станке устанавливается в центрах с дополнительной опорой под третьей коренной шейкой. Закрепле-
ние и привод детали осуществляют по поверхности хвостовика (см. табл. 6.2, оп. 30).
Предварительное обтачивание четырех шатунных шеек вы-
полняют на специальном токарном двухпозиционном станке с двусторонним приводом с автоматической загрузкой. Базирование детали производят по 1-й и 5-й коренным шейкам с осевой фиксацией по торцу хвостовика и угловой ориентацией по техно-
логическим площадкам противовесов П( и П4. Для повышения
жесткости детали при обработке устанавливается гидравлический люнет под третьей коренной шейкой (см. табл. 6.2, оп. 40).
При обработке вал 1 вращается со скоростью Кд синхронно с
Рис. 6.3. Схема обточки шатунных шеек коленчатого вала
эталонным валом 3 относительно оси коренных шеек, а суппорты 2 с инструментами 4 перемещаются в направлении стрелки со скоростью К вместе с обрабатываемыми шатунными шейками (рис. 6.3).
Сверление масляных каналов в шатунных и коренных шейках, развертывание отверстий под заглушки, сверление, зенкерование, растачива-
ние отверстий под подшипники, фрезерование лыски на хвостовике и
218
шпоночной канавки, снятие фасок в восьми отверстиях фланца i и нарезание резьбы в шести отверстиях производят на 52-пози-ь ционной автоматической линии. Линия состоит из двух участ-L ков, на которых работают по шесть агрегатных станков. Перед г первым участком имеется накопитель на 26 деталей, между участками — накопитель на 48 деталей. Линия имеет одну контрольную и две поворотные позиции.
Деталь устанавливают по 1-й и 5-й коренным шейкам, угловую ориентацию осуществляют по технологическим площадкам шатунных шеек, а осевую по торцу.
После выполнения этой операции вал промывают, тщательно продувают масляные каналы для полного удаления остатков $ стружки, и деталь направляют на установку ТВЧ для закалки *| коренных и шатунных шеек. Установка ТВЧ расположена в на- < ; чале автоматической линии. Поверхностное упрочнение коренных и шатунных шеек выполняют в три перехода.
На первом переходе осуществляют индукционный нагрев шатунных шеек с последующим их охлаждением душем в водном растворе пассивирующего вещества. На втором переходе осуществляют закалку коренных шеек. Отпуск шатунных и коренных * шеек проводят в среде горячего воздуха при температуре 160—190 °C с выдержкой около 2 ч. Закалку рабочих поверхностей вала прово- j дят на глубину 2—2,5 мм до твердости 51,5—53,5 HRCg- Структура закаленного слоя должна представлять собой мелкоигольчатый мартенсит или тростомартенсит. Установку вала для закалки осуществляют в центрах с упором в торец фланца и хвостовика, закрепление и привод — по поверхности хвостовика.
Окончательное шлифование пяти коренных шеек коленчатого вала и поверхности под манжету ведется на станках такой же модели, что и для предварительной обработки. Станки оснащены механизмом автоматической загрузки и разгрузки, имеют бесступенчатое регулирование скоростей кругов, устройства активного контроля и автоматической правки алмазными роликами.
Установку детали на станке осуществляют в центрах, продольную фиксацию по шлифованному торцу 5-й коренной шейки, крутящий момент передается поводковым патроном через отверстия во фланце. Для повышения жесткости на 2-й и 4-й 4 коренных шеек вала устанавливают гидравлические люнеты (см. табл. 6.2, оп. 100).
Припуск на шлифование составляет 0,3 мм. Режим обработки следующий: скорость круга 43 м/с, частота вращения детали 75 мин-’, поперечная подача врезания при черновой обработке
219
0,4 мм/мин, при чистовой — 0,25 мм/мин. Обеспечиваемая точность обработки по диаметру шейки 0,005 — 0,01 мм, овальность и конусность 0,004 мм, отклонение от цилиндричности 0,002 мм, значение параметра шероховатости поверхности после шлифования Ra = 0,32 мкм.
Окончательное шлифование шатунных (рис. 6.4) шеек после однократного точения выполняют на однокруговых шлифовальных станках в автоматическом режиме. Особенностью этой опе-
Рис. 6.4. Чистовое шлифование коренных (с) н шатунных (б) шеек коленчатого вала
220
рации является возможность последовательного шлифования с 1-й по 4-ю шатунную шейку на одном станке. Для этого станок оснащен механизмом разворота коленчатого вала и устройством ориентации каждой шейки относительно круга.
Установку вала производят по коренным шейкам и с осевой фиксацией по предварительным упорам. Шлифуемая шейка поддерживается люнетом, окончательное осевое положение вала определяется автоматически локатором. При переходе круга с одной шейки на другую происходит смещение центра бабки изделия. На шейку, подлежащую шлифованию, находит скоба прибора активного контроля, на котором смонтирован локатор, ориентирующий вал по торцам щек.
Угловую ориентацию осуществляют по обработанным отверстиям фланца автоматическим устройством (см. табл. 6.4, оп. 120). Шлифовальный круг работает со скоростью 42 м/с, и в процессе шлифования механизмом бесступенчатого регулирования скоростей поддерживается его постоянная окружная скорость. Снимаемый припуск составляет 0,5 мм. Точность размера и геометрической формы такая же, как и при шлифовании коренных шеек.
Шлифованные валы подвергают 100 %-му дефектоскопному контролю и размагничиванию, а затем поступают на девятипозиционную автоматическую линию для динамической балансировки. Дисбаланс устраняют сверлением отверстий в противовесах.
После балансировки валы транспортируют на специальный многорезцовый станок, где подрезают торцы И галтели коренных шеек. Окончательное подрезание торцов задней коренной шейки и опорного торца звездочки привода распределительного вала выполняют на последующей операции, после которой зачищают заусенцы смазочных отверстий, места под пробку, отверстий после балансировки, заплечики шатунных шеек на отдельном стенде. Затем для стального вала производят накатку радиусов скруглений на коренных и шатунных шейках. В технологии обработки чугунных коленчатых валов эта операция отсутствует.
На заключительной операции механической обработки коленчатых валов на автоматическом ленточно-полировальном станке полируют поверхности коренных и шатунных шеек и поверхность под манжету.
После промывки и обдувки вала на отдельном стенде запрессовывают заглушки, шпонку, подшипник, устанавливают звездочку привода механизма газораспределения.
221
Отличительные особенности обработки коленчатых валов грузовых автомобилей. Коленчатые валы двигателей грузовых автомобилей отличаются конструктивно по размерам, форме и массе от валов двигателей легковых автомобилей.
Однако, несмотря на эти отличия, они имеют аналогичную последовательность обработки как и коленчатые валы легковых автомобилей, отличающуюся лишь выполнением отдельных операций.
Базирование и закрепление коленчатых валов грузовых автомобилей на идентичных операциях производят по тем же поверхностям, что и при обработке валов легковых автомобилей.
Отличительные особенности обработки коленчатых валов двигателей грузовых автомобилей:
— применение станков повышенной жесткости и мощности;
— введение дополнительной операции обтачивания противовесов;
— двукратное обтачивание и многократное шлифование коренных шеек. Коренные шейки вала двигателя автомобиля КамАЗ шлифуют за четыре операции, причем на двух последних операциях шлифование выполняют последовательно от первой до пятой шейки одним кругом;
— введение операций правки. Например, коренные шейки вала двигателя автомобиля ЗИЛ подвергают четырехкратной правке на прессе с точностью до 0,03 мм;
— двукратное обтачивание (ЗИЛ) или фрезерование (КамАЗ) шатунных шеек;
— введение операции суперфиниширования коренных и шатунных шеек, галтелей и посадочного пояска со стороны маховика и последующего полирования этих поверхностей.
Примером служит автоматизированный технологический процесс механической обработки коленчатого вала автомобиля КамАЗ (рис 6.5).
Для обработки коленчатого вала применена комплексная автоматическая линия фирмы «Renault» (рис. 6.6).
Выбор технологии и оборудования для обработки коленчатого вала был затруднен по следующим причинам:
— конструкцией вала предусмотрено не применяемое для валов других автомобилей азотирование до твердости НВ 600 на глубину 0,25—0,40 мм с целью повышения усталостной прочности и поверхностной твердое™ вала;
— валы изготавливают из труднообрабатываемой стали 42ХМФА, легированной ванадием, в отличие от валов других двигателей, изготавливаемых в основном из стали 45;
222
797,5*з'1
Рис. 6.5. Коленчатый вал: а - заготовка; б — готовая деталь
1
— поковки имеют повышенную твердость, так как подвергаются улучшению до НВ 248—286;
— допуски на размеры шатунных и коренных шеек приняты но первому классу с жесткими требованиями к точности формы
(см. рис. 6.5) и биению:
торцов коренных шеек относительно осн
крайних коренных шеек (мм) max ....................0,02
торцов шатунных шеек относительно нх
оси (мм) шах........................................0,01
шероховатость поверхностей коренных и шатунных
шеек Ra............................................0,16'
— правка вала в процессе механической обработки не допускается.
223
Рис. 6.6. Схема комплексной автоматической линии «Renault» для механической обработки коленчатого вала
Эти требования предопределили необходимость создания такого технологического процесса, при котором обеспечивались бы максимальные точность и стабильность механической и термической обработок, особенно при азотировании. Все коленча-гые валы после обмерочных операций подвергают высокому отпуску, а валы, проходящие азотирование, — второму дополни-1ельному отпуску перед шлифованием. После термической обработки вместо применяемой обычно правки вала производят перецентровку валов и шлифование коренных шеек, обеспечивающих линейность вала.
Предварительное шлифование коренных шеек производят на многокруговых станках, полуокончательное и окончательное (после закалки ТВЧ или второго высокого отпуска) — на однокруговых.
Наличие поводок при термической обработке привело к необходимости оставления больших припусков под шлифование с постепенным доведением коленчатого вала до окончательных размеров с минимальной его деформацией, что потребовало увеличения количества шлифовального оборудования.
Высокая твердость поковок значительно снижает стойкость режущего инструмента, что ведет к увеличению количества токарного оборудования, так как при расчете была заложена стойкость 25—30 мин.
На операциях подрезания щек и противовесов применяют токарные станки для скоростного резания твердосплавными резцами. При необходимости обработку на них можно вести быстрорежущими резцами при обычных режимах.
На линии применяют следующие виды контроля качества деталей:
— операционный, осуществляемый наладчиком и оператором в течение смены, а также после смены инструмента и на-1 ладки станка, с широким применением многомерных контроль-' ных приспособлений, позволяющих производить одновремен-, ный контроль диаметральных размеров, биения цилиндрических ( и торцовых поверхностей;
1 — активный контроль, осуществляемый непосредственно на
станках;
— межоперационный контроль, осуществляемый работниками ОТК на специально отведенных рабочих местах приборами эучного контроля фирмы «Feinpruff» (ФРГ), а также встроенны-ли в линию контрольными автоматами фирмы «Marposs»;
— окончательный контроль, осуществляемый работниками ЭТК перед отправкой на сборку.
5 — 5935
225
На операциях точения и фрезерования применяют твердосплавные инструменты, что позволило обеспечить достаточно высокие производительность и точность обработки за счет высоких скоростей резания и небольших подач; на операциях сверления — быстрорежущие инструменты; на операциях шлифования — в основном шлифовальные круги из титанистого электрокорунда с прерывистой поверхностью, что обеспечивает отсутствие прижогов, часто встречающихся при шлифовании изделий из труднообрабатываемых сталей типа 42ХМФА.
На операциях шлифования применяют высокие скорости круга — 45—55 м/с и подач в диапазоне 1,2/0,5—2,4/1,5 на предварительных операциях и до 0,6/0,3 — на окончательных (в числителе указана величина подачи на черновом этапе цикла, в знаменателе — на чистовом). Технологический процесс обработки коленчатого вала приведен в табл. 6.3.
Производственные методы предварительной обработки коленчатых валов. Предварительную обработку шеек и концов коленчатых валов пройзводят на гидрокопировальных токарных автоматах с центральным приводом и многорезцовыми наладками. Сложность обработки коленчатых валов автомобильных двигателей определяется не только сложностью форм, высокой точностью размеров, но и недостаточной их жесткостью. При черновом обтачивании коренных и шатунных шеек под действием сил резания валы могут закручиваться и прогибаться. Поэтому при разработке процесса механической обработки стремятся компенсировать недостаточную жесткость вала за счет распределения припуска по операциям (черновая, получистовая, чистовая), введением дополнительных опор по длине вала, операций правки, применением станков с двусторонним или центральным приводом. Однако все эти мероприятия не устраняют явления закручивания и прогиба обрабатываемого вала.
Одной из особенностей обработки коленчатого вала автомобиля КамАЗ является операция фрезерования коренных и шатунных шеек (см. оп. 70), которая выполняется на специальном круглофрезерном станке. Вал устанавливается в центрах с осевой фиксацией по противовесу со стороны левого конца вала, а в угловом положении — по фрезерованным технологическим площадкам. Крепление вала производится по 1 и V коренным шейкам, через которые передается крутящий момент. По этой схеме обработки вал 2 вращается относительно оси коренных шеек, а фреза 1 имеет вращательное движение и поступательное к обрабатываемой шатунной шейке. Последовательность выпол-226
Таблица 6.3. Технологический процесс механической обработки коленчатого вала
Содержание операции Операция 10 Фрезерование торцов вала V= V2S м/мин 5Ь = 1,0мм/об
Эскиз обработки
Оборудование_____
Специальный фрезерный станок мод. MD1 фирмы «Wickes»
Операция 12 Фрезерование технологических площадок, обработка центровых отверстий
Продолжение табл. 6.3
Содержание операции
Операция 15 Фрезерование двух технологических плошадок
Эскиз обработки
______Оборудование______ Специальный фрезерный станок мод. MD1 фирмы «Wickes»
Операция 20
Предварительное обтачивание торца со стороны маховика
Гидрокопировал ьный станок «Reedmatic» фирмы «Atrema»
Операция 25
Предварительное обтачивание поверхности противовесов
V— 140 м/мин
= 0,5 мм/об
Токарный многорезцовый станок фирмы «Wickes»
Операция 30
Обтачивание шеек, галтелей и торцов пяти коренных шеек 12 м/мин
5Ь=0,8/0,4/0,2 мм/об
Операция 34
Обтачивание шеек, галтелей и торцов пяти корен ных шеек и концов вала
Операции 40, 110, 130, 160, 185, 240,280, 295, 315, 335, 345, 385,550
Контроль
Специальный токарный станок
Токарный многорезцовый станок фирмы «Wckes»
Специальные автоматы фирмы «Maiposs»
Продолжение табл 6.3
Содержание операции
Операция 50 Предварительное шлифование пяти коренных шеек
Эскиз обработки
Оборудование_____
Пятикруговой круглошлифовальный станок типа ЗСМЗ фирмы «Warner and Swasey» (США)
Операция 60 Получистовое обтачивание поверхностей противовесов
Операция 70 Предварительное фрезерование четырех шатунных шеек V= 115 м/мин Sb = 4,8 мм/об
Токарный многорезцовый станок фирмы «Wickes»
2-шпиндепьный круглофрезерный станок фирмы «Heller»
Операция 80 Выборочный контроль дисбаланса_______________
Операция 90 Стабилизационный отпуск
Операция 100 Предварительное и окончательное сверление и цекование отверстий
V— 12,6 м/мнн
5о“0,49мм/об
Автоматическая линия
Операция 115
Второе предварительное шлифование пяти коренных шеек
Пятикруговой круглош-лифовалъный станок типа ЗСМЗ фирмы «Warner and Swasey» (США)
Операция 120 Получистовое обтачивание торцов пяти коренных шеек V— 100 м/мин 5^=0,18мм/об
Токарный многорезцовый станок фирмы «Wickes»
Продолжение табл. 6.3
Содержание операции
Операция 150
Окончательное фрезерование четырех шатунных шеек V— 120 м/мин «$о= 3,96 мм/об
Эскиз обработки
Оборудование____
Двухшпиндельный круглофрезерный станок фирмы «Heller»
Операция 170
Окончательное обтачивание конца вала со стороны маховика
ПоЛ-Л
Токарные гидрокопиро-вальные автоматы фирмы «Atrema»
Продолжение табл. 6.3
Операция 200 Снятие заусенцев по кон-туру противовесов______
Операции 210,370,415, 460, 520,540 Мойка и сушка
Специальная абразивная установка фирмы «Krausa» Моечная машина фирмы «Bosch»
Операция 215 Закругление кромок н полирование смазочных отверстий в коренных и шатунных шейках
Специальная электрохимическая установка фирмы «Bosch»
Операция 220
Закалка ТВЧ
Специальная установка фирмы «AEG Elotherm»
Продолжение табл. 6.3
Содержание операции
Операция 250 Растачивание шламоулови-телей
Эскиз обработки
I Оборудование__________
Автоматическая линия с жесткой связью
Операция 260
Низкий отпуск после ТВЧ
Высокий отпуск после азо-тирования_______________
Операция 270
Растачивание, сверление, цекование отверстий со стороны торцов
И— 80 м/мин
«So = 0,18 мм/об
Печь фирмы «Holcroft»
Автоматическая линия
Продолжение табл. 6 3
Содержание операции
Операция 310 Полуокончательное шлифование шеек, радиусов и торцов четырех шатунных шеек И-34 м/с
Эскиз обработки
_____Оборудование___
Однокруговой круглошлифовальный станок мод 5R фирмы «Landis Tool»
Операция 320 Окончательное растачивание отверстия под подшипник н центровых фасок И= 80 м/мин
So = 0,09 мм/об_______
Операция 330 П олу окончательное шлифование наружной поверхности, радиусов н торца 1-й и 5-й коренных шеек
Автоматическая линия
Двухкруговой круглошлифовальный станок фирмы «Landis Gendron»
Продолжение табл 6 3
Содержание операции
Операция 380 Окончательное шлифование пяти коренных шеек (последовательно) с обеспечением нецилиндрично-сти шеек 0,005 мм и непа-раллеявности 0.01 мм
54 м/с
Эскиз обработки
Оборудование Однокруговой круглошлифовальный станок мод 5R фирмы «Landis Took
Операции 390, 400 Окончательное шлифование правого (оп 390) н левого (оп 400) концов вала и торца
Торцекруглошяифо-вальный станок фирмы «Landis Gendron»
Операция 410
Фрезерование гнезд под шпонки. развертывание отверстий
Автоматическая линия с жесткой связью
Операция 417 Снятие заусенцев в Пересе-1 чениях смазочных отвер-1 стий и шпоночных пазов, полирование радиусов |
Специальная электрохимическая установка фирмы «Bosch»
Операция 420 Динамическая балансиров-ка валов________________
Операция 430 Повторная балансировка (при необходимости)
Операция 450 'Зачистка заусенцев (вруч-IНУЮ)
Автоматическая линия с жесткой связью фирмы «Hofmann»
Продолжение табл 6.3
Содержание операции
Операция 500 Суперфиниширование коренных и шатунных шеек, галтелей и посадочного пояска со стороны маховика___________________
Операция 510 Полирование коренных и шатунных шеек и посадочного пояска
Эскиз обработки
Оборудование_______
Станки мод. К1250А2А фирмы «Thielenhaus»
Операция 530
Контроль на отсутствие трещин_____________________
Операция 555
Маркировка______________:
Операция 560
Антикоррозионная защита
Специальная установка фирмы «Tiede»
Специальная установка.
пения операций показана на рис 6.7. Скорость резания Ур при предварительном фрезеровании составляет 115 м/мин, круговая подача Ур = 4.8 мм/об; при окончательном фрезеровании — 120 м/мин, круговая подача — 3,98 мм/об.
Ротационное фрезерование коренных и шатунных шеек производят на круглофрезерном станке модели КУ-335. Коленчатый вал подают на станок с предварительно проточенным фланцем и хвостовым кольцом и просверленными с обеих сторон центровыми отверстиями. Для точного позиционирования вала па нем обрабатывается также одна из плоскостей и шейка под тонет. При фрезеровании коренных шеек фреза подводится на ускоренном ходу к шейке вала, который неподвижен, включается рабочая подача и происходит врезание фрезы в шейку вала до тайного размера. После достижения заданного размера начинается медленное вращение коленчатого вала и за один полный оборот его происходит обработка коренной шейки. Дисковая фреза оснащена пластинами из твердого сплава. Блоком из набора фрез производят одновременно фрезерование нескольких коренных шеек. На рис 6.7 показано ротационное фрезерование шатунных шеек в копировальном режиме: 1 — многолезвийная и исковая фреза; 2 — фрезеруемая шатунная шейка; 3 —промежуточное положение фрезы; 4 — путь фрезы в процессе фрезерования, 5 — перемещение оси фрезы в процессе обработки.
Охватывающее фрезерование может проводиться следующими способами. На рис 6.8 показан способ охватывающего фрезерования, при котором коленчатый вал в процессе обработки
Рис. 6.7. Схема ротационного фрезерования шеек коленчатого вала
16’
243
3
Рис. 6.8. Схема охватывающего фрезерования шеек коленчатого вала при его вращении
фреза 1 передвигается по пути L синхронно с поворотом шейки которая двигается по траектории 4. Синхронность движения обеспечивается за счет гидравлической, электрической и механической систем копирования; 2 — промежуточное положение фрезы в процессе движения. Недостаток этого способа — вращение коленчатого вала в процессе обработки устраняется при охватывающем фрезеровании с применением систем ЧПУ. При помощи делительного приспособления станка коленчатый вал поворачивается для обработки шатунной шейки так, чтобы центр обрабатываемой шатунной шейки и центр коленчатого вала были в одной плоскости. Коленчатый вал зажимается приспособлением и в течение процесса фрезерования остается неподвижным. Вращающаяся фреза обводится вокруг шатунной или коренной шейки, производя ее обработку. При этом приспособление, в котором установлена фреза, перемещается по направляющим в поперечном и вертикальном направлениях. На рис 6.9 показан такой способ фрезерования с управлением от ЧПУ: 5 — фреза; 1 — промежуточное положение фрезы при обработке вокруг шейки 4; 2 — траектория обкатки фрезы вокруг шейки коленчатого вала.
Применение вихревого метода обработки коренных и шатунных шеек позволяет значительно уменьшить закручивание и прогиб вала на черновых операциях и повысить их производи-244
3
тельность. Все коренные шейки, хвостовики и фланец обработаны за одну установку двумя вихревыми головками. Шатунные шейки обрабатываются попарно двумя головками за одну установку в два перехода.
Обработку производят на станках с автоматической загрузкой и разгрузкой детали. Станок оснащен двумя вихревыми головками, работающими независимо друг от друга. Вихревые головки располагаются эксцентрично относительно оси неподвижного вала и вращаются в противоположных направлениях. Таким образом, силы резания, возникающие при обработке детали, в основном взаимно уравновешиваются, что позволяет почти исключить закручивание обрабатываемого вала.
Рабочий цикл станка заключается в следующем: обрабатываемая заготовка автоматически подается в зону обработки, ус-шнавливается в опорные центры и жестко закрепляется. Вихревые головки перемещаются в рабочую зону и фиксируются относительно обрабатываемых поверхностей. Последовательность выполнения обработки показана на рис. 6.10. На следующем этапе происходит врезание головок 1 в обрабатываемые шейки детали 2. После врезания продольные и поперечные суппорты юловок жестко закрепляются гидравлическими зажимами на
245
3.
1
эксцентриситет
Рис. 6.10. Рабочий цикл при вихревом методе обработки.
а — положение загрузки, б — врезание на диаметр, в и г — принудительно направляемая круговая подача по кругу в 360°, во время круговой подачи продольные и поперечные суппорты гидравлически зажаты в направляющих, д — быстрый отвод в конечную позицию, е — положение разгрузки
направляющих станка. Вихревые головки с помощью эксцентрично расположенного ротора 3 получают вращательное движение относительно оси обрабатываемых шеек Вращение головок является движением круговой подачи.
Подача на один резец принимается равной от 0,1 до 0,8 мм/ре-зец, скорость резания составляет 90—150 м/мин
Вихревая головка (рис. 6.11) выполнена в виде набора фрез различного профиля и размера. Это позволяет одновременно одной головкой обработать поверхности различного диаметра и различной фасонной формы.
Вихревое обтачивание применяют для обработки коленчатых валов, имеющих следующие параметры:
— длина обрабатываемой детали 250—1700 мм;
— диаметр обрабатываемой шейки 40—120 мм;
— ширина шейки 35—100 мм;
— радиус кривошипа 50—90 мм.
Последовательность выполнения операций с применением вихревого метода при обработке коленчатого вала двигателя грузового автомобиля изображена на рис. 6.12. На первой операции 246
Рис. 6.11. Комплект вихревых фрез для обработки поверхностей коленчатого вала
производится подготовка технологических баз: обрабатывают и центрируют торцы вала. Фрезеруют две технологические площадки А] и Ai (см. рис. 6. 12, а).
На второй операции одновременно двумя вихревыми головками В1\ и В1\ обтачивают хвостовик коленчатого вала, 5-ю коренную шейку и фланец (рис. 6.12, б). Установку детали производят в центрах с жестким креплением за 2-ю шатунную шейку с угловой ориентацией по фрезерованным площадкам А} и Л2.
Одновременную обработку четырех коренных шеек их торцов и галтелей выполняют двумя головками, каждая из которых позволяет обрабатывать две шейки. Базирование и закрепление вала на третьей операции осуществляют по уже обработанным поверхностям хвостовика и фланца (см. рис. 6.12, в).
Обработку шатунных шеек производят за одну установку в два перехода. На первом переходе двумя вихревыми головками обтачивают 1-ю и 4-ю шатунные шейки, а на втором переходе эгими же головками обрабатывают 2-ю и 3-ю шейки (см. рис. 6.12, г).
Установку и закрепление вала на станке производят по обработанным поверхностям 1-й, 3-й коренных шеек и поверхности фланца.
На рис. 6.12, д показано положение вихревых головок в момент загрузки и разгрузки станка.
247
Рис 6.12. Последовательность выполнения операций при вихревом фрезеровании коленвала грузового автомобиля
а — фрезерование технологических площадок Aj и Аг б— обтачивание хвостовика коленчатого вала и его фланца в — базирование и закрепление вала на 3-и операции, г — обработка шатунных шеек, д — момент разгрузки вала
При обработке коленчатых валов двигателей легковых автомобилей фрезерование хвостовика, фланца и пяти коренных шеек (1—5) совмещается в одну операцию и выполняется одновременно двумя комплектами вихревых головок (рис. 6 13).
Рис. 6.13. Вихревое фрезерование коленчатого вала легкового автомобиля
249
Точность вихревого метода обработки характеризуется следующими осредненными данными:
— допуск на диаметр коренных и шатунных шеек ±0,1 мм;
— допуск на ширину шеек для коленчатых валов легковых автомобилей ± 0,06 мм и грузовых ±0,1 мм;
— допуск на радиус кривизны для коленчатых валов легковых автомобилей ± 0,07 мм и грузовых ±0,1 мм;
— некруглость обработанных поверхностей 0,1—0,2 мм.
Рабочий цикл станков для вихревой обработки полностью автоматизирован, они могут оснащаться различными загрузочно-разгрузочными устройствами и встраиваться в автоматические линии.
Методы и средства контроля точности коленчатых валов. Высокие требования к точности размеров, геометрической формы и качества обработанной поверхности предопределили следующие виды контроля коленчатых валов:
— операционный, осуществляемый наладчиком и оператором в течение смены, а также после замены инструмента и наладки станка с широким применением многомерных контрольных приспособлений, позволяющих производить одновременный контроль диаметральных размеров, биения цилиндрических и торцовых поверхностей,
— активный контроль, осуществляемый непосредственно на станках;
— межоперационный контроль, осуществляемый работниками ОТК, а также встроенными в линию обработки контрольными устройствами;
— окончательный контроль перед отправкой на сборку.
Контроль коленчатых валов является трудоемкой работой, так как у вала контролируется около ста различных показателей качества, и он имеет большое количество поверхностей, имеющих высокую точность размеров формы и взаимного расположения Поэтому контроль качества вала должен выполняться с применением устройств, автоматизирующих этот процесс, например, индикаторных устройств с настройкой для одновременного измерения различных размеров и отклонений, пневматических, электро контактных и электронных.
При контроле качества изготовления коленчатого вала ЗИЛ-130 проверяют следующие параметры-
— производят внешний осмотр вала с целью выявления дефектов, размеры коренных шеек, переднего хвостовика и заднего хвостовика вала по диаметрам и по взаимному расположению;
250
— размеры диаметров и длин шатунных шеек и их расположение относительно коренных шеек;
— некруглость коренных и шатунных шеек,
— радиус кривошипа;
— смазочные каналы, размер и отклонение формы отверстия под подшипник;
— шероховатость обработанных поверхностей и ряд других параметров.
Активный контроль непосредственно в зоне обработки позволяет следить за изменением размера, управлять через систему обратной связи механизмами станка Например, при шлифовании шеек коленчатого вала автоматически производится переключение подачи с черновой на чистовую, выключение подачи после получения соответствующего размера, выхаживание и отвод шлифовального круга в исходное положение Устройства активного контроля обеспечивают поднастройку оборудования не по случайным, а по систематическим отклонениям размеров По результатам измерений контрольное устройство подает команду на корректировку положения инструмента или на отбраковку детали
Например, на операции чистового шлифования коренных шеек коленчатого вала двигателя КамАЗ применяют пневматический активный контроль Прибор выполнен в виде скобы, оснащенной малогабаритным индуктивным преобразователем, и снабжен измерительной пневматической головкой. Точность измерения ± 1 мкм. Схема измерения представлена на рис. 6 14.
При обработке коленчатых валов широко применяют межоперационный контроль: контролируют длину вала, наличие центровых отверстий и т. п.
Рис. 6.14. Схема измерения при чистовом шлифовании коренных шеек коленчатого вала на приборе активного контроля фирмы «Marposs» (Италия)
251
4
Рис. 6.IS. Схема устройства для контроля глубины сверления отверстий
В качестве примера приведена схема устройства для контроля глубины отверстий во фланце вала (рис. 6.15).
Деталь 1 с обработанными отверстиями устанавливают на рабочую позицию, оснащенную глубиномером 2, гидроцилиндром 3; корпус измерительного устройства 4 подается вперед до введения глубиномера в отверстия. Если отверстия просверлены на достаточную глубину, конечный выключатель 5 не срабатывает. Если одно из отверстий просверлено не до конца или в него попала стружка, глубиномер не дойдет до конечного положения и через копир 6 срабатывает конечный выключатель, блокирующий транспортер линии.
Послеоперационный контроль позволяет осуществлять комплексное измерение нескольких параметров детали после выполнения ряда операций. На рис. 6.16 показано устройство послеоперационного контроля параметров коленчатого вала: наружного диаметра фланца, опорных шеек и их конусности.
Вал 1 посредством механической руки устанавливается в измерительную позицию; измерительные головки 2, установленные в корпусе 3, опускаются на измеряемые поверхности и упорами 4 ориентируют изделие в осевом направлении, а упоры 5 центрируют его относительно призм 6. При этом измерительные
4
Рис. 6.16. Схема устройства контроля размеров коренных шеек
252
наконечники контрольного устройства располагаются в диаметральной плоскости. С выдержкой примерно в одну секунду происходит включение схемы измерения. Если деталь с дефектом, автоматически срабатывает устройство клеймения (краскораспылитель), которое блокирует транспортер линии.
Контроль ширины, диаметра и местоположения в осевом направлении коренных шеек коленчатого вала после шлифования (как и после токарной обработки) производят на автомате фирмы «Marposs».
По результатам измерения, как и на токарной операции, производят поднастройку шлифовальных кругов, однако контролируемый вал базируется в центрах, а измерительная станция подводится сверху с помощью гидроустройства, как показано на рис. 6.17.
Кроме того, на автомате производят контроль цилиндрических расточек в торцах коленчатого вала и фаски центрового отверстия. Измерение производят комбинированной головкой фирмы «Etamic» (Франция), сочетающей в себе пневматинескую и индуктивную системы.
253
Индуктивный
Рис. 6.18. Схема контроля поверхности цилиндрической расточки коленчатого вала при помощи комбинированной головки фирмы «Etamic» (Франция)
Диаметр и овальность отверстия контролируют пневматической пробкой (рис 6 18), положение фаски относительно торца вала — при помощи рычажной измерительной системы и индуктивного преобразователя фирмы «Etamic». Предельная погрешность измерения равна ± 1 мкм и ± 2 мкм (параметр фаски).
Окончательный контроль параметров коленчатого вала производят автоматом фирмы «Marposs» На автомате контролируют, диаметр, овальность и конусность коренных и шатунных шеек, а также торцовых отверстий вала и расположение всех основных торцовых поверхностей вала Деталь при измерениях базируется в
Рис. 6.19. Контроль размера детали в процессе обработки
254
центрах и вращается. Измерение шатунных шеек производят с помощью подвижных скоб Предельная погрешность измерения составляет ± 1 и ± 2 мкм в зависимости от допуска
Для операционного контроля точности параметров коленвалов на ВАЗе и КамАЗе в основном применяют электронную аппаратуру фирмы «Marposs», которая позволяет контролировать размеры деталей в процессе их обработки. В зависимости от величины снимаемого припуска выдается команда на автоматическое управление станком для корректировки выполняемого размера.
Данная аппаратура состоит из измерительных головок (рис. 6 19), соединенных с электронным блоком.
Сигнал от датчика поступает в электронный блок, осуществляющий самонастройку каждою измеряемого размера. Все параметры обработки диаметр, точка и т. д, - запоминаются в программе электронного блока и выдаются на соответствующем табло (рис 6 20). Точность измерения — от ± 15 до 150 мкм.
Окончательный контроль коленвалов производят на специальных измерительных машинах после обработки на автоматиче-
р h
i? и' Л
h
Рй?. 6.20. Электронный блок для контроля размерных параметров обрабатывае-' мо го вала
ском или полуавтоматическом цикле. При этом осуществляют контроль диаметров овальности, конусности, соосности, измерение размеров вала в осевом направлении, искривления, веса и т д
Кроме того, данная аппаратура выдает необходимые команды для подналадки инструментов, оборудования или остановки обработки, если деталь выходит за пределы установленных допусков
6.2. Особенности конструкций и технические условия обработки распределительных валов
Распределительные валы ДВС в зависимости от числа цилиндров и их расположения имеют сложную конструктивную форму В различных двигателях они отличаются по длине, числу опорных шеек, количеству кулачков и их расположению Однако основные элементы распределительных валов автомобильных двигателей идентичны
Распределительные валы относят к разряду нежестких и нетехнологичных деталей для условий механической обработки вследствие наличия кулачков фасонной формы, круговых эксцентриков, зубчатого венца, опорных шеек малого диаметра
При изготовлении распределительных валов должны быть выполнены следующие технические требования
точность размеров диаметров опорных шеек должна соответствовать 6-му квалитету, допуск биения опорных шеек в заданном направлении относительно оси должен быть не более 0,015—0,025 мм, допуск цилиндричности — не более 0,005 мм, отклонение от соосности не должно превышать 0,015—0,025 мм по всей длине вала,
J шероховатость рабочих поверхностей всех шеек и кулачков Ra = 0,32 мкм,
J допуск биения опорного торца фланца под шестерню в заданном направлении должен быть не более 0,015—0,032 мм;
J отклонение размера диаметра цилиндрической части кулачков — не более 0,04—0,05 мм, отклонения от заданных углов взаимного расположения кулачков не должны превышать Г—1°30', допуск биения затылков всех кулачков в заданном направлении должен быть не более 0,025 мм;
J отклонение от симметричности шпоночного паза относительно оси вала — 0,045 мм, 256
Jтвердость рабочих поверхностей кулачков и эксцентрика у стальных валов после закалки — в пределах 57—63 НЁСэ, а опорных шеек — 55—63 HRCg.
Требования, предъявляемые к точности обработки распределительных валов, обусловливают технологические решения по обеспечению высокого качества обработки и надежности применения автоматизированных технологических процессов.
Распределительные валы автомобильных двигателей изготавливают из углеродистых, легированных сталей или легированно-ю чугуна Например, распределительный вал двигателя легкового автомобиля — из стали 40 или из магниевого чугуна с шаровидной формой графита, грузового автомобиля — в основном из стали 45, стали 18ХГТ.
Стальные заготовки распределительных валов получают горячей штамповкой с предварительным формообразованием на ковочных вальцах или на прессах в ручьевых штампах Исходный материал — круглый или периодический фасонный прокат
Схема формования заготовки распределительного вала показана на рис 6.21
Отштампованные распределительные валы подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и обеспечения заданной твердости материала.
Ниже приведены технологический маршрут изготовления заготовки распределительного вала из стали 40 и применяемое оборудование.
Рис. 6.21. Схема формования заготовки распределительного Вала
- исходная заготовка б — предварительная развальцовка, в — предварительная штамповка. г — окончательная штамповка
5935
257
Содержание операций Оборудование
10 Отрубка заготовок.........................Пресс-ножницы
20 Нагрев заготовки (t — 1100—1200 °C).......Камерная печь
30 Вальцовка по одной штуке в два перехода... Ковочные вальцы
40 Штамповка в два перехода..................Кривошипный пресс
50 Обрезка заусенцев и правка в горячем состоянии.......................................... Пресс обрубной
60 Нормализация (температура нагрева в l-й зоне —
880 ± 10 °C, во 2-й зоне — 860 ± 10 °C). Методическая печь
70 Охлаждение на воздухе
80 Контроль твердости. ..................... Пресс Бринелля
90 Правка в холодном состоянии................. Пресс правильный
100 Окончательный контроль....................Контрольное приспособление
Припуски на механическую обработку у штампованных валов составляют 1—4 мм на диаметр.
Литые распределительные валы изготавливают из легированного высокопрочного чугуна. Заготовки таких валов отливают в песчаные или оболочковые формы. При отливке в песчаные формы часто применяют металлические кокили, образующие формы кулачков и эксцентриков. При заливке жидкого чугуна кокили интенсивно отводят теплоту и на поверхности кулачков и эксцентриков образуется твердая корка отбеленного чугуна толщиной до 6 мм. При получении такой заготовки закалка кулачков и шеек валов не применяется.
Распределительные валы, отливаемые из магниевого чугуна с шаровидным графитом, подвергают закалке ТВЧ до твердости 53—59 HRCg- Припуски на механическую обработку у литых валов меньше, чем у штампованных. Например, для распределительного вала припуск на обработку по всем опорным шейкам и кулачкам -составляет до 1,5 мм, по торцам вала — до 3 мм. Уменьшение припуска на механическую обработку позволяет снизить массу литых валов на 10—15 % по сравнению со штампованными валами.
Особенности базирования распределительных валов. Конструктивно распределительные валы имеют недостаточную жесткость. Они легко прогибаются и закручиваются под действием сил резания, поэтому для повышения жесткости распределительных валов вводят дополнительные опоры и применяют станки с центральным или двусторонним приводом.
При выполнении черновой и чистовой токарной обработки, а также отделочных операций основными базами при обработке распределительных валов являются центровые отверстия. Точ
258
ность фиксации в осевом направлении обеспечивается упором в торец вала со стороны распределительной шестерни.
Технологические процессы обработки распределительного вала легкового автомобиля. В условиях серийного и массового производства обработку распределительных валов производят на комплексных поточных и автоматизированных линиях.
Комплексная автоматизированная линия для механической обработки распределительного вала двигателя автомобиля ВАЗ-2106 (рис. 6.22) состоит из трех автоматических линий с жесткой связью и участка, включающего моечную машину, установку для закалки и отпуска кулачков и двух многорезцовых токарных автоматов с конвейерами-накопителями. Последующие шлифовальные операции выполняют на отдельных станках, связанных между собой подвесными конвейерами. В табл. 6.4 представлены основные операции обработки вала.
На семипозиционной автоматической линии производят подрезание торцов и центрование, токарную обработку опорных шеек и снятие фасок на опорных шейках одновременно у двух валов.
Линия состоит из одного торцеподрезного центровального станка и трех многорезцовых токарных станков (см. табл. 6.4, оп. 10).
Шестипозиционная автоматическая линия предназначена для глубокого сверления продольного масляного канала пушечными сверлами. Она состоит из двух специальных агрегатных станков, обрабатывающих одновременно восемь деталей. Сверление производится при вращении инструмента и изделия. Скорость сверления — 76 м/мин при подаче 112 мм/мин и времени обработки одной детали 4 мин (см. табл. 6.4, оп. 20).
Сверление масляных каналов на опорных шейках и кулачках, рассверливание отверстия под заглушку на заднем торце, сверление двух отверстий под штифты, сверление и нарезание резьбы под болт крепления звездочки на переднем торце производят на четырехпозиционной автоматической линии, состоящей из трех агрегатных станков (см. табл. 6.4, оп. 30).
Промывку валов осуществляют на моечных машинах тоннельного типа, имеющих сушильные камеры, где детали сушатся горячим воздухом (см. табл. 6.4, оп. 40). После закалки кулачков окончательно обтачивают три средние опорные шейки, поверхность и торец под звездочку, протачивают канавку под стопорное кольцо на многорезцовых токарных автоматах (см. табл. 6.4, оп. 50).
17*
259
Рис. 6.22. Планировка участка механической обработки распределительного вала
Таблицаб4 Технологический процесс обработки распределительного вала
Снятие фасок на опорных шейках
4
Продолжение табл. 6.4
№ операции
Наименование операции
Сверление масляного канала пушечным сверлом
30 Сверление и развертывание всех отверстий, нарезание резьбы
40 Промывка валов
Оборудование
Автоматическая линия для сверления
Автоматическая линия для сверления масляных каналов Моечные машины тоннельного типа
50 Окончательное обтачивание трех средних опорных шеек, подрезание торца под звездочку и протачивание канавки под стопорное кольцо
60 Одновременное предварительное шлифование пяти опорных шеек
Токарный многорезцовый станок
Пятикруговой круглошлифовальный станок
Следующей операцией является шлифование всех опорных шеек на пятикруговом круглошлифовальном станке (см. табл. 6.4, оп. 60). Правку кругов осуществляют после обработки двадцати валов однокристальным алмазным карандашом. Время обработки всех шеек 60 с. Точность обработки по диаметру шеек 16 мкм, допуск формы составляет не более 5 мкм, параметр шероховатости поверхности Ra = 0,32 мкм.
Шлифование кулачков производят дважды — предварительно и окончательно. При предварительном шлифовании снимается припуск 0,8—1,8 мм, при окончательном — 0,175 мм. После шлифования кулачков предусмотрены правка и промежуточный контроль размеров. Зачистку заусенцев и скругление острых кромок на кулачках вала осуществляют на специальном станке шлифовальными кругами.
Пройдя 100 %-й контроль, валы поступают на операцию полирования опорных шеек бесконечной абразивной лентой. Токарную обработку опорных шеек, фланцев и межкулачковых канавок стальных распределительных валов производят на специальных многорезцовых полуавтоматах и автоматах, имеющих двусторонний или центральный привод. С целью повышения жесткости вала обработку ведут с применением люнетов.
Сверление отверстий во фланце, на шейках, в торце распределительного вала и фрезерование шпоночного паза под распределительную шестерню производят на многопозиционных агре-(атных станках или автоматических линиях.
Шлифование шеек распределительных валов выполняют на одно- и многокруговых шлифовальных станках, работающих мешаем врезной подачи. Эти станки оснащены гидрофицирован-ными люнетами, автоматическими устройствами для правки кругов и средствами активного контроля.
На рис. 6.23 показана схема одновременного шлифования коренных шеек распределительного вала 2 двигателя грузового автомобиля. Обработку производят при радиальной подаче 0,8 мм/мин со скоростями вращения детали Уа = 12 м/мин и круга Ук = 35 м/с. Припуск на обработку составляет 0,35 мм. Отклонение от цилин-дричности опорных шеек не должно превышать 0,005 мм, шероховатость обработанной поверхности Ra = 2,5 мкм.
При многокруговом шлифовании применяют станки повышенной жесткости с двусторонним креплением шлифовальных кругов 1. Шпиндель с набором кругов представляет собой автономный съемный узел. При этом установка и балансировка кругов возможны вне станка. Шлифовальный шпиндель состоит из
263
Люнет Т х2
Уд
Рис. 6.23. Схема шлифования коренных шеек распределительного вала
неподвижного вала, на котором на подшипниках качения вращается гильза, несущая шлифовальные круги. Расстояние между кругами регулируют промежуточными кольцами.
Шлифование передней шейки под распределительную шестерню является отдельной операцией, совмещаемой со шлифованием опорного торца передней шейки или фланца (рис. 6.24). Операция выполняется на круглошлифовальном автомате с Наклонным кругом, работающим методом врезной подачи, направленной перпендикулярно оси вращения шпинделя станка. При такой схеме шлифования возможны разные скорости вращения круга на участках наибольшего и наименьшего диаметров. Перепад скоростей зависит от угла установки, диаметра круга и ширины обработки. Угол установки круга выбирают из отношения ширины обработки В к ширине/торцовой поверхности Н:
Рис. 6.24. Схема шлифования передней шейки распределительного вала:
7 — поводок; 2 — распределительный вал; 3 — шлифовальный круг, 4 — щуп
264
m при В/Н > 8 а = 10°;
Ир* • » при В/Н > 1 а — 30е;
при В/Н< 1 а — 45°.
' Станок снабжен локатором автоматической установки вала в осевом направлении. При одновременной обработке шейки и опорного торца обеспечивается допуск биения в заданном направлении не более 0,025 мм.
Обтачивание кулачков штампованных распределительных валов производят на специальных копировально-токарных станках по схеме, показанной на рис. 6.25. Деталь 3 базируется по предварительно шлифованным крайним опорным шейкам и закрепляется в цанговых патронах 2.
Угловое положение вала определяется по шпоночному пазу в посадочной шейке вала под шестерню на переднем конце вала или шпилькой фланца вала. Для уменьшения деформаций вала обработку проводят с применением люнетов 4, установленных по шлифованным центральным шейкам вала. Режущий инструмент через копирный вал связан с эталонным кулачковым валом /, вращающимся синхронно с обрабатываемым валом.
Шлифование кулачков осуществляют на специальных профилешлифовальных автоматах и полуавтоматах. Обработку каждого кулачка выполняют последовательно по отдельному копиру, соответствующему профилю и угловому положению кулачков обрабатываемого вала. На этих же станках шлифуют эксцентрик привода бензонасоса. Вал устанавливают по предварительно шлифованным крайним опорным шейкам в цанговые зажимы. Средние опорные шейки — в гидрофицированные люнеты. Угловое положение вала фиксируется по шпоночному пазу или отверстию во фланце.
Рис. 6Д5. Схема обтачивания кулачков распределительного вала
265
1
Иногда при шлифовании кулачков и эксцентрика вал устанавливают в центрах. В этом случае после термической обработки вала необходимо растачивать центральные отверстия. Профиль кулачка шлифуется при поперечной подаче круга, который имеет небольшое осевое (колебательное) движение с целью улучшения шероховатости обрабатываемой поверхности. Скорость вращения детали ограничивается до 4—6 м/мин для предотвращения искажения профиля кулачка вследствие инерционности качающегося стола и неточной обкатки копирного ролика по копиру. Скорость вращения круга — 35 м/с. Кулачки штампованных распределительных валов шлифуют после обтачивания и дважды после термообработки.
В настоящее время разработаны шлифовальные станки, позволяющие шлифовать кулачки за одну операцию. Рабочий цикл обработки состоит из чернового и чистового шлифований. При черновом шлифовании увеличение значения поперечной подачи сочетается с повышением скорости круга до 60 м/с и частоты вращения детали до 90 мин-1. После съема основного припуска скорость круга автоматически замедляется до 30 м/с, частота вращения детали — до 45 мин-1. Чистовое шлифование завершается уменьшенной подачей и выхаживанием.
При обработке кулачков литых валов применяют двукратное (предварительное и чистовое) шлифование кругами разной зернистости.
Окончательную обработку шеек и кулачков распределительных валов выполняют на специальных полировальных и микро-финишных полуавтоматах, позволяющих одновременно обрабатывать поверхности всех шеек, кулачков и эксцентрика. На рис. 6.26 показана схема полирования кулачков распределительного вала бесконечной абразивной лентой. Обрабатываемая деталь устанавливается в центрах с угловой фиксацией по шпоночному пазу. Непрерывная абразивная лента 2 перемещается вращающимися роликами 3 и прижимается стопорной пластиной 6 при помощи пружины 5 и кулачкового копира 4 к поверхности синхронно вращающегося с копиром кулачка 7.
Скорость вращения детали Кд— 10—15 м/мин, припуск на обработку — 6—8 мкм, производительность до — 60 шт./ч.
Микрофиниширование производят алмазными брусками с 50 %-й концентрацией алмаза в два перехода: предварительном и окончательном. Схема микрофиниширования детали 1 показана на рис. 6.27. Скорость вращения детали — 11,5 м/мин, число двойных ходов головки 2 при предварительной обработке — 600, при окончательной обработке — 300, амплитуда ос-266
Рнс. 6.26. Схема полирования кулачков распределительного вала бесконечной абразивной лентой
Рнс. 6.27. Схема микрофиниширования шеек и кулачков распределительного вала
цилляции — 3 мм, время обработки — 35—45 с, производительность — 90—100 шт./ч, достигаемое значение параметра шероховатости обработанной поверхности Ra — 0,16—0,32 мкм.
Особенности изготовления распределительных валов двигателя автомобиля КамАЗ. Распредвал двигателя автомобиля КамАЗ изготавливают из стали 18ХГТ; после цементации и закалки ТВЧ деталь имеет твердость 58—68 HRCg. Заготовка детали — поковка, после нормализации имеет твердость НВ 143—207, масса заготовки 10,2 кг, припуск на обработку наружных поверхностей вращения составляет 2,5—4,5 мм, на торцах — 2,5—3,5 мм. На рис. 6.28 представлена заготовка и готовая деталь распределительного вала.
Обработка вала осуществляется на комплексной поточно-автоматизированной линии (рис. 6.29), состоящей из трех автоматических линий (линия обработки незакаленного вала, линия термической обработки, правка и шлифование опорных шеек и окончательной обработки) и двух участков профилекопировальных станков—до и после термической обработки. Производительность линии — 41 деталь в час.
В автоматических линиях применяется межоперационная транспортная система с напольным транспортером. Заготовки
267
из контейнера при помощи пневматического подъемного устройства укладывают на призмы транспортера в ориентированном положении и подают на первую операцию обработки, где производится фрезерование торцов и сверление центровых отверстий, служащих базой на всех операциях. Линия оснащена системой автоматической обработки информации о состоянии оборудования, что повышает эффективность ее работы.
На операциях лезвийной обработки применяют неперетачи-ваемые твердосплавные пластины.
Требования, предъявляемые к точности обработки распреде-
[тельных валов (см. рис. 6.28):
* ✓ биение относительно оси шеек и Д5, мм;
I J затылков всех кулачков (max) ..............................0,025
р ✓ опорных шеек Д, Ла (max) ................................ 0,025
• ✓торцов Т и Т\ ................................................................0,03
’ ✓ непараллельность образующих всех кулачков
\ и нецилиндричность всех шеек, мм ............................0,005
J шероховатость поверхности шеек и кулачков, мкм ...0,32 ™ Перечисленные требования способствовали принятию оригинальных по сравнению с другими заводами, в том числе с Волжским автомобильным и Уфимским моторным, решений, обеспечивающих высокое качество обработки и надежность автоматизированных технологических процессов:
— при обработке незакаленного вала исключены операции правки, что потребовало введения дополнительных токарных и шлифовальных операций;
— введена операция механического снятия фасок по профилю кулачков для исключения появления трешин на термических операциях и возникновения острых кромок на операциях обточки кулачков;
— полуокончательное и окончательное шлифование кулачков производится без снятия вала со станка благодаря применению двухскоростных шлифовальных автоматов фирмы «Schaudt» с шаговым двигателем в системе подачи;
— после операции термообработки введена операция правки вала на автоматическом прессе с точностью 0,05 мм без участия оператора.
Технологический процесс обработки распределительного вала двигателя автомобиля КамАЗ представлен в табл. 6.5.
Рис. 6.28. Распределительный вал а — заготовка, б — готовая деталь
269
Рис. 6.29. Схема комплексной поточно-автоматизированной линии для механической обработки распределительного вала
Таблица65 Технологический процесс обработки распределительного вала автомобиля КамАЗ
Содержание операции
Операция 10 Загрузка деталей на линию
Эскиз обработки
Оборудование Автоматическая линия фирмы «Crankshaft»
Операция 20
Фрезерование торцов и сверление центровых отверстий
V— 122 м/мин
= 1,52 мм/об______
Операция 30
Предварительное обтачивание 1-й и 2-й опорных шеек
V— 75,5 м/мии
^, = 0.3 мм/об______
Операция 40
Предварительное обтачивание 3, 4, 5-и опорных шеек, поверхностей бурта и хвостовика
К=75,5 м/мин
Ajj — 0 3 мм/об_____
Операция 50
Протачивание межкулачковых каналов
И= 18 м/мин 5о~О 16 мм/об
Фрезерно-центровальный станок фирмы «Кгиевег»(ФРГ)
Токарный автомат «Reedmatic»
Токарный станок фирмы «Crankshaft»
Содержание операции
Эскиз обработки
Продолжение табл б 5
Операция 55 Растачивание центровых отверстий и чистовое обтачивание 2, 3, 4-й опорных шеек______
Операция 60 Предварительное шлифование пяти опорных шеек Кр = 43м/с
Оборудование
Фрезерно-центровальный автомат фирмы «Krueger»
Многокруговой круглошлифовальный станок фирмы «Landis Tool»
Операция 70 Обработать позиция 1 — загрузочная, 2 — окончательное обтачивание хвостовика, обработка задней стороны и канавок бурта, снятие фасок у 5 -й шейки и хвостовика
Восьмипозиционный токарный автомат фирмы «Krueger»
3 и 5 —свободные,
4 - снятие фасок с 1, 2, 3,4-й шеек и бурта
6 — фрезерование шпоночного паза и выемки на конце вала, снятие заусенцев со шпоночного паза и выемки <
Операция 80 Обтачивание 16 кулачков п = 107 об/мин 5Ь = 0,25 мм/об Токарный много-резцовоый автомат фирмы «Crankshaft»
Операция 90 Снятие фасок с 16 кулачков Тоже
Операция 100 Предварительное шлифование кулачков Кр = 45 м/с = 25/50 об/мин Специальные профилешлифовальные станки фирмы «Schaudt»
Операция ПО Мойка и сушка деталей Операции 120,130 Термообработка Моечная машина фирмы «Bosch» Установка фирмы «AEG Elotherm»
Операция 140 Правка в трех точках по 2, 3, 4-й опорным шейкам (максимальное биение начальное — 2 мм, после правки — 0,1 мм) Правильный пресс фирмы «Galdabint»
Продолжение табл 6.5
Содержание операции Эскиз обработки Оборудование
Операция 145 100 %-й контроль диаметров опорных шеек
Операция 150 Окончательное растачивание центровых отверстий п = 2400 об/мин 3= 0.05 мм/об Специальный токарный автомат фирмы «Haberzang und Zinzen»
Операция 160 Окончательное шлифование 3-й и 4-й опорных шеек Кр = 32 м/с ? у Двухкруговой круглошлифовальный станок фирмы «Schaudt»
Операция 170 Окончательное шлифование 1-й и 2-й опорных шеек К-» = 32 м/с Тоже
Операция 180 Окончательное шлифование двух шеек, торца и радиуса конца вала Гкр = 32 м/с Торцекруглошлифовальный станок фирмы «Schaudt»
Операция 190
Сверление вертикального и горизонтального отверстий, фрезерование шпоночного паза и снятие заусенцев у паза
Агрегатный станок фирмы «Haberzang und Zinzen»
Операция 200 Окончательное шлифование кулачков КР = 45 м/с
Профилешлифовальный станок фирмы «Schaudt»
Моечная машина фирмы «Bosch»
Автомат фирмы
«Gerhardt»
Операции 220, 240 Мойка и сушка________
Операции 230, 250
Контроль______
Операции 260 Правка по мере необходимости (вне линии)
Контроль распределительных валов. Распределительные валы подвергают контролю после каждой основной операции обработки, а также после окончания всей обработки Внешним осмотром выявляют на всех рабочих поверхностях возможные заметные дефекты. Мелкие трещины и раковины выявляют с помощью магнитного дефектоскопа. Для контроля размеров шеек, их соосности и биения упорного торца фланца используют многомерные индикаторные или светофорные приспособления, оснащенные электро контактным и или индуктивными датчиками.
Контроль кулачков по профилю и расположению осуществляют с помощью компараторов сравнения проверяемой детали с эталонным валом (рис 6.30). В компараторе эталонный и проверяемый валы располагают параллельно друг другу. Затем валы синхронно вращают. Показывающие индикаторные головки связаны со штифтами, имеющими роликовые наконечники, перекатывающиеся по поверхностям кулачков контролируемого вала.
Другие штифты находятся в контакте с кулачками эталонного вала и упираются в ножки индикаторных головок.
Если кулачки эталонного и контролируемого валов имеют одинаковый профиль и углы расположения, то плечо Н при синхронном вращении обоих валов не изменится Если какой-либо кулачок контролируемого вала имеет погрешность формы или углы расположения, то плечо Н изменяется и стрелка индикатора отклоняется.
Рис. 6.30. Схема контрольного прибора для проверки профиля и расположения кулачков
1 — измерительный прибор, 2 — эталонный вал, 3 — контролируемый вал
276
Вопросы для самопроверки
I Каковы основные требования к точности, предъявляемые к валам9
2 Какие требования предъявляют к материалам и методам получения «готовок9
3 Каковы особенности конструкций распределительных и коленчатых валов9
4 Какие существуют способы базирования и установки валов при обработке9
5 Каковы особенности обработки шатунных шеек коленчатых валов9
6 Каковы особенности обработки кулачков распределительных валов9
7 Что представляет собой операция балансировки коленчатых валов9
8 Каковы особенности обработки смазочных отверстий коленчатых валов9
9 В чем заключаются отличия обработки коленчатых валов двигателя легкового и грузового автомобиля9
10 Понятие о вихревом методе обработки валов
11 Какие средства измерения применяют при контроле коленчатых и | распределительных валов9
Глава 7
Технология изготовления поршней и поршневых колец
7.1. Производство поршней двигателей
Поршни карбюраторных двигателей и дизелей являются одними из основных деталей, предопределяющих ресурс их работы. При этом работают они в наиболее тяжелых условиях — при высокой температуре, больших переменных нагрузках, высоких скоростях возвратно-поступательного движения. Этим объясняется необходимость точной обработки основных трущихся поверхностей, обеспечение их высокой износостойкости, снижение массы поршня и улучшение теплоотвода от стенок и торца поршня.
Характерные особенности конструкций поршней и применяемые материалы. Конструктивно поршни представляют собой полый цилиндр с днищем и бобышками, в которых имеется отверстие под поршневой палец. Условно поршень разделяют на головку, в которой установлены поршневые кольца, и юбку (нижняя часть поршня). Поршни имеют сплошные юбки в виде стакана или вырезанные. В последнем случае юбка выполнена в виде двух козырьков, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Наружная поверхность днища поршня выполняется плоской или имеет специальные углубления. Как правило, поршни четырехтактных карбюраторных двигателей имеют плоское днище, иногда с небольшой цилиндрической выемкой, поршни дизелей — днище с углублением сложной формы, соответствующим направлению подачи топлива в цилиндры двигателя. В двухтактных карбюраторных двигателях для образования оптимальной формы камеры сгорания и улучшения продувки цилиндров поршни делают с выпуклыми, вогнутыми или фасонными днищами.
Головку поршня выполняют цилиндрической, а юбке придают овально-бочкообразную форму. При этом большая ось овала расположена перпендикулярно оси отверстия под поршневой палец. Разность размеров юбки по большой и малой осям овала составляет 0,15—0,35 мм в зависимости от диаметра поршня. 278
Бочкообразный профиль юбки (рис. 7.1) улучшает условия приработки поршня, стабилизирует зазор между поршнем и гиль-юи, уменьшает износ сопряжения поршень — гильза, что повышает моторесурс двигателя. В средней части юбки параллельно оси поршня или под углом к ней делают прорези для компенсации температурных расширений поршня. В некоторых случаях под нижними канавками поршневых колец выполняют горизон-шльные прорези, причем как горизонтальные, так и вертикальные прорези выполняют на сторонах юбки, соответствующей большой оси овала.
Большинство поршней после механической обработки подвергают лужению — наносят слой чистого олова толщиной 0,04—0,06 мм. Это обеспечивает создание промежуточного антифрикционного слоя в процессе приработки поршня и исключа-ei задиры.
Материал поршней двигателей исходя из условий их работы должен обладать высокими механической прочностью, жаростойкостью, износостойкостью, теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью и малым удельным весом.
Наиболее широко применяют для изготовления поршней двигателя специальные поршневые сплавы из алюминия АЛ25, АЛ30, АЛ1, АК10М2Н и другие, химический состав которых приведен в табл. 7.1, а физические свойства — в табл. 7.2.
Рис. 711. Продольная и поперечная формы поршня
279
%
Таблица?! Материалы для изготовления поршней
Сплав Содержание компонентов, %
Mg Si Мп Си РЬ Ni Zn Fe Ti
АЛ! 1,25-1,75 0,70 3,75-4,50 1,75-2,25 0,30
АЛ 25 0,8-1,30 111,0-13,0 0,30-0,60 1,50-3,00 0,10 0,80-1,30 0,50 0,80 0,05-0,20
АЛЗО — — 0,20 0,80-1,50 0,05 0,80-1,30 0,011 0,70 0,20
АК10М2Н 0,90—1,20 9,50-10.5 — 2,00—2,50 — 0,80—1,20 — 0,60 0,05
Таблица?! Физико-механические свойства сплавов
Показатель АП1 АЛ 25 АЛЗО
Плотность р, г/см3 2,75 2,72 2,71
Температура литья, °C 710-730 680-730 700-730
Линейная усадка, % 1,30 1,00 1,00
Временное сопротивление Св, МПа 180 190 200
Относительное удлинение со, % 1,00 — 0,50
Твердость НВ 80 90 90
Сплав АЛ1 обладает повышенной жаростойкостью, имеет невысокие литейные характеристики, среднюю прочность, удовлетворительно работает при температурах до 250 °C, имеет пониженную коррозионную стойкость. Сплавы АЛ25 и АЛЗО наиболее широко используются для изготовления поршней карбюраторных двигателей и дизелей. Поршни из этих сплавов удовлетворительно работают и сохраняют стабильность размеров при температуре до 300 °C, хорошо обрабатываются резанием. Указанные сплавы обладают хорошими литейными характеристиками и имеют высокую коррозионную стойкость
Для быстроходных форсированных двигателей, например ВАЗ, поршни изготавливают из сплава АК10М2Н, отличающегося высокими прочностью и жаростойкостью по сравнению с показателями сплавов АЛ25 и АЛЗО.
Для поршней тихоходных двигателей иногда применяют чугун, имеющий более высокие прочность и износостойкость.
Поршни дизелей должны изготавливаться из алюминиевых сплавов, механические свойства которых после термообработки должны быть следующими:
Jтвердость не менее 90 НВ,
J временное сопротивление разрыву образцов, вырезанных из поршня, или образцов-Ьвидетелей — не менее 170 МПа при содержании кремния менее 13 % и 120 МПа при содержании кремния свыше 19 %.
280
Допускается изготовление поршней из других алюминиевых сплавов, обеспечивающих механические свойства материала поршня не ниже указанных.
Заготовки для поршней. Заготовки алюминиевых поршйей получают литьем в кокиль на специальных карусельных кокильных автоматах, обеспечивающих высокий уровень точности и стабильность процесса.
Первой операцией изготовления заготовки является получение отливки на карусельно-кокильном автомате. Перед заливкой металла все внутренние поверхности формы покрывают краской (типа 1АФ-2 или 2КМФ), кокиль подогревают до температуры 220—280 °C После сборки кокиля (установка центрального стержня, терморегулирующих пластин и стержня-пальца) заливают сплав под давлением при температуре 730 °C.
На второй операции удаляется литниковая система и зачищаются заусенцы на опорной части.
Третья операция осуществляется на автоматизированном агрегатном станке, на котором обрабатывается наружная поверхность, обрезается прибыль, снимаются фаски, протачивается днище и контролируется масса заготовки.
На четвертой операции заготовка термообрабатывается для стабилизации структуры металла и снятия внутренних напряжений Отжиг проводится при температуре 220—350 °C в течение 1 ч с последующей выдержкой в течение 5 ч при температуре 220 °C.
Методы базирования поршней при механической обработке. Поршень является нежесткой, тонкостенной деталью, легко деформируемой в радиальном направлении, причем наименьшую жесткость имеет юбка. Шероховатость обрабатываемых поверхностей юбки поршня, отверстий под поршневой палец и торцовых поверхностей канавок для компрессионных и маслосъемных Ьколец должна быть не более 1,25 мкм. Для поршней, подвергаемых покрытию, допускается шероховатость до 2,5 мкм. Допуск К -а перпендикулярность оси отверстия пальца к оси поверхности кбки поршня на длине 100 мм не должен превышать 0,04 мм. Обработанные поршни сортируют на группы по диаметру Ьг- бки с интервалом 15—20 мкм Отверстие под поршневой палец обрабатывается по 3-му квалитету, а иногда и точнее, после чего Влтакже применяют селективную сборку с разбивкой на группы по К иаметру (через 2—4 мкм). Шероховатость поверхности отвер-иртия под палец выдерживается равной 0,6 мкм. Допуски по мас-Ксе поршней составляют 0,3—1 % массы обработанного поршня.
281
Для обработки поршня используют вспомогательные установочные базы, которые подготавливают на операции предварительной обработки заготовки. При этом у поршней со сплошной юбкой вспомогательной базой являются внутренний поясок юбки и центровое отверстие в бобышке днища поршня. У поршней с вырезанной юбкой для базирования используют вспомогательные базы в виде площадок, выполненных на нижней плоскости приливов бобышек в отверстиях под палец, и два установочных отверстия на этих площадках.
Обработку вспомогательных баз — растачивание пояска на юбке, подрезание торца юбки, подрезание бобышки и центрирование отверстия или обработка плоскостей бобышек и двух установочных отверстий в них — осуществляют обычно на многорезцовых токарных полуавтоматах или агрегатных станках. Поршень базируют по наружной поверхности головки с упором его днища в приспособление.
Поршни — тонкостенные детали с необрабатываемыми внутренними поверхностями, поэтому одним из важных требований при их изготовлении является получение равномерной толщины стенок. Литье в кокиль обеспечивает высокую концентричность наружной и внутренней поверхностей поршней, что дает возможность на первой операции при подготовке вспомогательных баз центрировать поршень по наружной поверхности головки. При обработке заготовок поршней, полученных другими методами и имеющих меньшую точность, базирование на первой операции осуществляют по внутренней поверхности заготовки с поджимом поршня по отверстию под поршневой палец.
Типовой технологический процесс обработки поршней. В автотракторостроении поршни обрабатывают с использованием многошпиндельных полуавтоматов, агрегатных станков и автоматических линий. При больших программах выпуска, учитывая широкую унификацию деталей шатунно-поршневой группы, наиболее целесообразно создавать заводы-автоматы по производству поршней.
При обработке на поточных линиях широко применяют следующий технологический процесс обработки поршня:
операция 10 — растачивание базового пояска, подрезание торца юбки, снятие фаски на юбке и сверление центрового отверстия на приливе днища поршня; поршень базируют по наружной цилиндрической поверхности головки с упором в днище;
282
!
операция 20 — токарная обработка наружных поверхностей поршня на токарных многошпиндельных полуавтоматах или специальных агрегатных станках; поршень базируют по вспомогательным базам, для поджима используют отверстие под поршневой палец;
операция 30 ~ обработка отверстия под поршневой палец, снятие фасок, растачивание стопорных канавок; для обработки применяют специальные агрегатные станки; поршень базируют по вспомогательным базам с поджимом в торец;
операция 40 — сверление отверстий для масла в кольцевых канавках, отверстий под прорези в юбке; обработку осуществляют на специализированном оборудовании, используя вспомогательные базы;
операция 50 — сортировка поршней по массе;
операция 60 — обработка юбки поршня шлифованием или обтачиванием; поршень базируют по вспомогательным базам;
операция 70 — окончательная обработка отверстия под поршневой палец на специальных прецизионных расточных станках; в качестве баз используют наружную поверхность юбки и днище поршня, что обеспечивает высокую точность взаимного расположения оси отверстия под поршневой палец и оси поршня;
операция 80 — раскатывание отверстия под поршневой палец;
операция 90 — нанесение покрытия на наружную цилиндрическую поверхность поршня;
операция 100— контроль поршней и разбивка их на группы.
Для обработки поршней двигателей автомобилей широко используют полуавтоматы, агрегатные станки и автоматические линии. Поршни двигателей автомобилей малого класса обрабатывают главным образом на агрегатных станках.
Процесс обработки поршня двигателя ВАЗ на комплексной автоматической линии из агрегатных станков:
операция 10 — механическая обработка на агрегатном двенадцатипозиционном станке; в качестве баз используют днище, наружный диаметр головки поршня и торец;
операция 20 — контроль поршня;
операция 30 — предварительное и окончательное обтачивание головки и юбки поршня, а также прорезание канавок под поршневые кольца и подрезание днища осуществляют на специальном восьмишпиндельном токарном горизонтальном автомате;
операция 40 — контроль поршня, базирование поршня осуществляется по базовому пояску на юбке, двум базовым отвер
283
стиям и центровому отверстию в бобышке; на ней контролируются диаметральные размеры юбки и головки поршня;
операция 50 — окончательное растачивание отверстия под поршневой палец и окончательное обтачивание юбки по наружному диаметру;
операция 60 — мойка и сушка поршней сжатым воздухом;
операция 70 —- контроль поршня;
операция 80 — отрезание бобышки на днище, взвешивание поршня (допуск ±2 г) и раскатывание отверстия под поршневой палец;
операция 90 — окончательный контроль поршня;
операция 100 — лужение поршня, после чего его помещают в особое помещение, где на специальной установке контролируют и сортируют поршни на группы.
Методы финишной обработки юбки поршней. Наиболее перспективными являются поршни с овально-бочкообразным профилем и переменной овальностью по длине юбки. Такие поршни имеют следующие преимущества;
J уменьшение монтажных зазоров поршней в цилиндрах примерно в 3 раза;
S приработка поршия после 30 ч горячей обкатки составляет 60—70 %, после гарантийного пробега — 85—90 %;
✓ уменьшение износа в 2 раза (для поршней с переменным профилем);
J отсутствие стуков поршней с переменным профилем после гарантийного пробега;
Sснижение силы трения и, как следствие, экономия топлива и повышение моторесурса двигателя.
Окончательную обработку юбки поршня на отечественных автомобильных заводах выполняют копирным, копирно-кине-матическим и кинематическим (бескопирным) методами.
Копирный метод при различных конструктивных вариантах его реализации имеет следующие недостатки:
J ограничение производительности обработки (повышение скорости резания ведет к потере контакта щупа с копиром и резкому снижению точности);
Jсущественное снижение точности обработки в процессе изнашивания копира;
S влияние погрешности копирной системы на точность обработки;
284
* трудоемкость и высокая стоимость проектирования и изготовления копиров, особенно объемных и с переменным поперечным профилем по высоте обработки.
Для копирно-кинематического метода обработки характерны износ копира и искажение профиля, а следовательно, снижение геометрической точности обработки. Кроме того, при этом требуются специальные чашечные резцы, изготовление которых весьма трудоемко.
При кинематическом (бескопирном) методе деталь и инструмент связаны кинематической цепью, обеспечивающей такое их относительное перемещение, при котором обрабатываемая деталь приобретает заданный профиль.
В настоящее время создан ряд станков, обеспечивающих обработку сложных криволинейных профилей бескопирным методом. В основу метода положено кинематическое воспроизведение заданного профиля. При этом получают два класса кривых — эпициклоиды и гипоциклоиды. Получение таких кривых обеспечивается вращением с постоянными угловыми скоростями coi и соз двух шарнирно связанных стержней 1\ и li- При этом точка Л7 находящаяся на конце одного из стержней, опишет эпициклоиду C0]/g>2 > 0 (одинаковое направление вращения стержней) и гипоциклоиду Ш|/со2 < 0 (противоположное направление вращения стержней). Частным случаем гипоциклоиды является эллипс, при этом ©1/(02 =1 и А * fe. Уравнение эллипса (рис. 7.2), т. е. траектории движения точки механизма с шарнирно связанными и находящимися в одной плоскости звеньями Zj и Z2, имеет вид
х = Gi + Z2) cos (at;
у = (Zi - h) sin со/.
При h = l2 уравнение эллипса в юлярных координатах примет вид
г2 - (Zj + Z2)2 cos со/ + (Zj - Z2)2 яп2 со/.
Полученный эллипс является базовым, имеет две полуоси — большую (/] + /2) й малую (h — Z2) (рис. 7.3). Промежуточные значения .радиуса г определяются при условии, что углы поворота звеньев А и /2 и радиуса rt равны со/ = у = а. Такое
Рис. 7.2. Схема образования основного эллипса бескопирным методом
285
Рис. 7.3. Схемы получения кривых бескопирным методом
допущение правомерно, поскольку наибольшее расхождение углов поворота для поршней ДВС не превышает (ПО' и практически не сказывается при контроле радиусов-векторов, которые задаются через 5°.
Кинематическая схема станка для обработки поршней (рис. 7.4) обеспечивает получение гаммы овальных профилей поперечного сечения: эллиптических, охватывающих эллипс и охватываемых эллипсом, как постоянных по длине обрабатываемого изделия, так и переменных с одновременным получением в продольном сечении бочкообразного или другого заданного профиля.
Станок имеет бабку 1 изделия, шпиндель которой вместе с закрепленным поршнем вращается вокруг оси О—О, и инструментальную бабку 2 с осью вращения шпинделя О\—О\. Ось поршня находится на оси шпинделя, ось инструментальной бабки расположена под определенным углом у по отношению к оси вращения поршня. Для кинематической связи инструмента
Рис. 7.4. Кинематическая схема станка для обработки поршней
286
и обрабатываемого поршня применен шестеренчато-карданный привод, обеспечивающий передаточное отношение 1:2, т. е. поршень вращается с угловой скоростью о, инструмент — с угловой скоростью 2со.
Длина звена 6 в схеме станка определяется от вершины резца до точки 0[а пересечения оси Oi—Oi с плоскостью, проходящей через вершину резца перпендикулярно оси Oi—ф. Длина звена fe характеризуется расстоянием от оси О—О до точки Oja.
Постоянные по длине обработки профили поршней получаются при нулевом угле поворота X оси вращения поршня относительно направления подачи стола Оп—Оп как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Настройкой взаимного положения осей вращения шпинделей бабки изделия и инструментальной обеспечивается получение соответствующих профилей.
Для получения овальных кривых, охватывающих эллипс с полуосями l\ — h и li + 12, необходимо, кроме параллельного смещения осей О—О и Ц—Of, развернуть ось вращения инструмента на угол коррекции у в горизонтальной плоскости, обеспечив значение /2 от точки 0ia до оси О—О вращения шпинделя и радиуса вращения вершины резца относительно оси О—О, равный Zi/cos у.
Овальные кривые, охватываемые эллипсом, могут быть получены при развороте оси О—О вращения шпинделя инструментальной бабки на угол коррекции v и смещением оси вращения поршня в вертикальной плоскости относительно точки Oia на величину 12 при радиусе вращения вершины резца, равном Zj.
Переменные по длине обработки поперечные профили поршней получаются при определенном угле поворота X в вертикальной или горизонтальной плоскости оси О—О вращения поршня относительно направления подачи стола Оп— Оп.
• При их обработке на бескопирном станке основное влияние , на шероховатость поверхности оказывают подача и материал режущего инструмента. Поскольку шероховатость поверхности не-- значительно зависит от скорости резания, для повышения про-уизводительности скорость необходимо выбирать исходя из ди-! намических характеристик станка и оптимальной стойкости ре-i жущего инструмента. Для получистовой обработки следует применять резцы с эльбором, особенно при обработке поршней с ^большим содержанием кремния (18—25 %). При меньшем со-• держании кремния (11—13 %), что характерно для большинства ; 287
поршней карбюраторных двигателей, можно использовать резцы из твердого сплава.
Окончательно поршни наиболее целесообразно обрабатывать алмазными резцами с подачей S = 0,03—0,08 мм/об, глубиной резания гр = 0,01—0,15 мм и скоростью V = 500—550 м/мин. Шероховатость поверхности поршней, обработанных алмазными резцами, находится в пределах 0,6—0,3 мкм. Опенка размерной точности поршней, проведенная по отклонениям наибольшего диаметра поперечного сечения юбки, показала высокую точность процесса (поле рассеяния размере» не превышает 30 мкм). Погрешность геометрической формы профиля поперечных сечений поршней составляет ± 6 мкм.
7.2. Производство поршневых колец автомобильных и тракторных двигателей
Основные требования к поршневым кольцам. Моторесурс и надежность работы ДВС, расход топлива и моторного масла в большой степени зависят от конструкции поршневых колец и качества их изготовления.
Поршневые кольца представляют собой детали небольших размеров, простой конфигурации, располагаются в канавке поршня и плотно прилегают к поверхности цилиндра и одной из плоскостей — канавки поршня Их назначение — обеспечение необходимого динамического уплотнения камеры сгорания при возможно минимальных потерях на трение, отводе части теплоты от поршня к цилиндру, распределении смазочного материала между трущимися поверхностями и отводе излишнего смазочного материала с зеркала цилиндра в картер двигателя, предотвращая проникновение масла в камеру сгорания.
Поршневое кольцо должно сохранять контакт с цилиндром и торцовой поверхностью канавок поршня на протяжении всего времени работы двигателя. Выполнение поршневыми кольцами их функций зависит от материала колец, покрытий рабочих поверхностей и точности изготовления.
Устанавливаемые в двигатель поршневые кольца должны иметь высокую однородность физических и механических характеристик материала, хорошую упругость, устойчивость упругих и антифрикционных свойств в условиях длительной работы при высокой температуре и воздействии газов, беззазорное при-288
легание к стенкам цилиндров, обеспечиваемое точно заданной формой кольца в свободном состоянии и соответствующей эпюрой радиальных давлений на стенки цилиндра, которые кольцо должно обеспечивать в работающем двигателе.
Этими условиями предопределяются высокие требования к качеству и точности изготовления поршневых колец Требование беззазорного прилегания к стенкам цилиндра особенно важно для форсированных двигателей, а также в случае применения износостойких материалов и покрытий рабочих поверхностей кольца и цилиндра.
Наиболее актуальным в настоящее время считается вопрос повышения работоспособности поршневых колец, и его решение осуществляется в следующих основных направлениях:
J конструкторские усовершенствования кольца, формы его рабочих поверхностей применительно к условиям работы двигателя,
Jулучшение химического состава, механических и физических свойств материала поршневых колец в зависимости от вида кольца, а также повышение износостойкости и долговечности применительно к условиям работы и нагруженности двигателей;
Jразработка и использование новых износостойких покрытий рабочих поверхностей поршневых колец;
Jсовершенствование технологии производства поршневых :олец, повышение их качества, точности формы, стабильности свойств, создание для этого новых процессов, методов обработ-
:и и новых видов оборудования.
Особенности конструкции поршневых колец. Конструкции поршневых колец в основном однотипны Основные их виды, которыми в настоящее время комплектуются все выпускаемые в нашей стране карбюраторные двигатели и дизели, показаны на
Рис. 7.5. Конструкции поршневых колец а — компрессионные, б — маслосъемные, 1 — с торсионной выточкой, 2 — скребковое с минутным углом и выточкой, 3 — с бочкообразной рабочей поверхностью, 4 — лолуграпенеидальное, 5 — трапецеидальное, 6 — скребковое, 7— стальное четырехэлементное, 8 — стальное трехэлементное с тангенциальным расширителем, 9 — чугунное коробчатое с витым чугунным расширителем, 10 —- чугунное с радиальным расширителем
289
19-5935
В группе компрессионных колец наиболее перспективным для бензиновых двигателей является кольцо 3, отличающееся от ранее применяемых верхних компрессионных колец бочкообразной рабочей поверхностью с противоизносным покрытием (хромом, молибденом, карбидами вольфрама в композиции с другими составными элементами). Менее технологичная форма рабочей поверхности этого кольца позволяет ускорить его приработку и обеспечить лучшую прилегаемость к стенкам цилиндра и соответствует форме, приобретаемой прямолинейной рабочей поверхностью кольца после примерно 500 ч работы в двигателе Кроме того, бочкообразная форма рабочей поверхности предотвращает задиры цилиндров
Полутрапецеидальное компрессионное кольцо 4 с бочкообразной рабочей поверхностью и с нанесенным на нее противоизносным покрытием применяется на всех высокооборотных дизелях в качестве верхнего компрессионного кольца. Малотех-нологичиая, шлифуемая под углом 7—10° торцовая поверхность кольца задается с допуском ±10’ и с параметром Ra = 0,32 мкм Трапецеидальная форма кольца предотвращает закоксовывание его в канавке поршня.
Скребковое кольцо б без торсионной выточки устанавливают на карбюраторных двигателях и дизелях. Отсутствие на компрессионных и скребковых кольцах торсионных выточек позволит исключить из процесса их получения малопроизводительные операции, улучшить прилегаемость колец вследствие того, что протачивание этих выточек ведет к короблению кольца.
В группе маслосъемных колец наиболее перспективным для применения является трехэлементное стальное хромированное кольцо 8 с тангенциальным расширителем. Оно заменит четырехэлементное стальное кольцо 7 с двумя расширителями, радиальное давление которого недостаточно для обеспечения срока службы свыше 120—150 тыс. км пробега.
Перспективным также является чугунное маслосъемное хромированное кольцо 9 коробчатого типа с витым пружинным расширителем. Этого типа кольца устанааливают на двигателях КамАЗ и ВАЗ.
Состав входящих в комплект колец зависит от типа и характера работы двигателя. У большинства моделей автомобильных двигателей для грузовых автомобилей и автобусов поршень укомплектовывается двумя компрессионными и одним маслосъемным кольцом. Четырехтактные дизели (до 50 %) имеют в 290
комплекте на поршень два компрессионных и одно маслосъемное кольцо; 30 % — три компрессионных и одно маслосъемное кольцо; 15 % (для двигателей с наддувом) — три компрессионных и два маслосъемных кольца. Допуски и шероховатости поверхности колец приведены в табл. 7.3.
Габлииа73 Точностные и качественные показатели порингевых колен
Параметры Карбюраторные двигатели автомобилей Дизели
легкового грузового
Допуск, мм
по высоте кольца 0,012 0,012 0,012
по радиальной толщине + 0,050—+0,080 + 0,120—+0,150 + 0,100
на размер замка 0,150-0,300 0,300-0,500 0,200
Сила упругости в ленте, Н 4-5 8-10 1,000-1,100
Шероховатость поверхности Ra, мм
торцовой 0,630 0,630—0,500 0,320
рабочей 0,320 2,500-1,250 0,320
На основе опыта отечественных заводов, укомплектовывающих карбюраторные двигатели и дизели, при уменьшении числа колец в комплекте на один поршень признается целесообразным сократить число промежуточных компрессионных колец в комплекте для карбюраторных двигателей ЗИЛ-431410 и дизелей ЯМЗ моделей 236, 238, 240 и маслосъемных колец в отдельных двигателях — с двух до одного. Уменьшить число промежуточных компрессионных колец в поршне можно и потому, что второе компрессионное кольцо не будет выполнять основные функции верхнего кольца при неудовлетворительной работе последнего.
Основное направление работ по унификации поршневых колец и комплектов на поршень — повышение работоспособности и долговечности работы поршневых колец, уменьшение номенклатуры и видов комплектации поршневых колец, улучшение технологичности их конструкций
К основным параметрам поршневых колец относят, плотность прилегания, упругость и овальность. Рабочая поверхность кольца должна без зазора прилегать к стенкам кольца-калибра. Поршневое кольцо должно не только прилегать, но и создавать давление р0 в определенных условиях, так,как при низких давлениях будет происходить прорыв газов из камеры, а при высоких возрастут потери на трение. Техническими условиями задается не только давление, но и упругость, измеряемая двумя способами: 19* 291
J обжатием кольца в гибкой ленте до теплового зазора с усилием Рт;
J при помощи усилия Рд, прикладываемого к кольцу в точке, противоположной замку.
Разность диаметров кольца в обжатом состоянии проверяется при обжиме кольца гибкой лентой. Овальность характеризует распределение давления по окружности. Например, при грушевидной и эллиптической эпюре давления, действующего на поршневое кольцо, овальность всегда положительная. Ее величина для колец автомобильных двигателей находится в пределе 0,2—1,0 мм.
Для расчета поршневых колец и разработки технологии их изготовления необходимо знать форму кольца в свободном состоянии, которая обеспечила бы заданные давление и плотность прилегания по окружности.
При равномерной эпюре давления кольца оно изменяется в соответствии с заданным характером распределения, которое всегда симметрично относительно оси замка кольца. Для четырехтактных двигателей обычно задаются эпюры давления с некоторым превышением давления в зоне замка. Вследствие при-1 менения высокопрочных и легированных чугунов, повышения точности формы кольца, получаемой в результате широкого внедрения одновременного копирного обтачивания и растачивания заготовок, улучшения износных характеристик чугунных колец путем хромирования необходимость задавать трехкратный запас давления в зоне замка признана нецелесообразной, так как это может приводить к повышенному износу и образованию зазора в зоне, прилегаемой к замку. В этих условиях задается в зависимости от характера работы двигателя равномерное давление или превышение давления в области замка (не более 40—80 % номинального).
Материалы и методы получения заготовок поршневых колец. Применяемые на заводах чугуны по химическому составу и физико-механическим свойствам в основном аналогичны. Основным материалом для колец средненагруженных двигателей является серый легированный чугун (0,40—0,70 % Сг; 0,80—1,35 % Мо;' 0,50-0,80 % Ni; 0,80-1,2 % Си; 0,10-0,30 % V). Твердость -108—114 НВ, предел прочности при изгибе <5В = 500 МПа. модуль упругости Е = 100 000—130 000 МПа.
Чугуны, используемые для изготовления поршневых колец, легируют никелем, молибденом, медью для обеспечения твердости 95 — 105 НВ, предела прочности ов = 580 МПа, модуля упругости £= 90 000-112 000 МПа.
292
Для верхнего компрессионного кольца форсированных дизелей, а также двигателей автомобилей ВАЗ и автобусов ЛиАЗ применяют высокопрочный чугун с шаровидной формой графита, легированный никелем, молибденом и медью, а для остальных колец комплекта — серый чугун, легированный хро-юникелем и другими элементами, чугун с пластинчатой фор-юй графита.
Из серого легированного чугуна изготавливают поршневые ольца карбюраторных форсированных двигателей.
Основным видом заготовки поршневого кольца является ндивидуальная отливка из чугуна, получаемая литьем в сырые есчаные формы. Увеличенное содержание в расплаве фосфора редусмотрено для повышения жидкотекучести металла, запол-яющего тонкие каналы формы.
Маслотные заготовки на два кольца и более применяют для зготовления из высокопрочного чугуна с шарообразной фор-юй графита верхних компрессионных поршневых колец форси-ованных дизелей.
Литье маслот производят в сухие песчаные формы. В этом лучае процесс механической обработки заготовки усложняется ведением дополнительных операций и операции термофикса-ии заготовки после обтачивания и растачивания маслоты, раз-езки ее на отдельные кольца, шлифования торцов и разрезания о замку круглой заготовки.
Наиболее распространенным способом формования индиви-уальных заготовок поршневых колец диаметром до 150 мм яв-яется машинное формование с использованием многоместных лит. Качество отливок зависит от конструкции и размеров лит-иковой системы. Она должна обеспечить возможно меньшую корость прохождения металла в форму через питатель и отделе-ие неметаллических включений, равномерное прогревание и стывание формы, исключение появления рыхлот и других де->ектов литья.
Для формования поршневых колец диаметром до 150 мм рименяют формовочные машины 92271Б и автоматы моделей 810А, 4811 для безопочного формования поршневых колец. Три массовом литье маслот наиболее целесообразным является пособ центробежного литья во вращающуюся полую форму. Три этом наибрлее легкие частицы остаются на внутренней по-ерхности маслоты и при обработке удаляются.
293
После получения отливки заготовки подвергают струйной очистке и черновой обработке по внутреннему и наружному диаметрам для снятия корки и литейных уклонов, искусственному старению и контролю.
На автомате для черновой обработки внутренней и наружной поверхностей пакета колец 1 он автоматически устанавливается на валик диска и приводится во вращение резиновыми роликами 2 (рис. 7.6), прижимая кольца к шлифовальному кругу 3, снимающему литейную корку по наружной поверхности колец. После окончания обработки шлифовальный круг и резиновый ролик отходят от пакета, а перегрузочное устройство передает пакет колец на вторую позицию для внутреннего шлифования. Производительность автомата 2000—8000 колец в час. Искусственное старение осуществляется по следующему циклу: медленное, со скоростью 70—100 “С в 1 ч нагревание отливок до температуры 450—550 °C, выдержка при этой температуре в течение 1 ч, охлаждение отливок в печи до температуры менее 200 °C и дальнейшее остывание на воздухе.
Типовой технологический процесс изготовления поршневых колец. Механическая обработка поршневых колец в связи с их специфическими особенностями значительно отличается от механической обработки других деталей.
Поршневые кольца для получения расчетной формы, заданных эпюр давлений и других конструктивных параметров подвергают обработке. При этом на точность и стабильность свойств
Рис. 7.6. Схема черновой обработки шлифовальными кругами поверхностей заготовок поршневых колец:
а — наружной, б — внутренней, 1 — пакет колец, 2 — резиновые ролики; 3 — шлифовальный круг
294
। влияют многие технологические факторы: режимы резания, жесткость системы, слабым звеном которой является деталь.
Как отмечалось, заготовки поршневых колец получают индивидуальным литьем или литьем маслот с последующей разрезкой. С учетом этого выбирается типовой технологический процесс механической обработки поршневых колец. Последовательность механической обработки поршневых колец указана в табл. 7.4.
Таблица 7.4. Технология изготовления поршневых колец
Индивидуальное литье Литье маслот с последующей разрезкой
без коиирной обработки с копирной обработкой без копирной обработки с копирной обработкой
1. Обдирочное шлифование торцов 1. Черновое круглое тачивание обтачивание и рас-
2. Термообработка (старение) 2 Резка маслот на заготовки
3. Черновое шлифование торцов 3 Термообработка - закалка и отпуск
4. Чистовое шлифование торцов 4. Черновое шлифование торцов
5. Вырезание замка 5. Копирное обтачивание и растачивание 5. Чистовое шлифование торцов
6. Черновое обтачивание и растачивание 6. Вырезание замка 6 Вырезание замка 6. Копирное обтачивание
7 Черновое калибрование замка 7 Черновое калибрование замка 7 Вырезание замка
8. Чистовое обтачивание и растачивание 8. Термофиксация 8. Черновое калибрование замка
9 Чистовое калибрование замка 9. Чистовое круглое обтачивание и растачивание
10. Профилирование 10. Чистовое калибрование замка
11 Подготовка под хромирование ’ 11. Профилирование
12. Финишные операции 12. Подготовка под хромирование 13 Финишные операции
Особенности выполнения операции механической обработки портных колец. Торцовые поверхности поршневых колец шлифуют.
* Шлифование торцов поршневых колец производится за три последовательные операции: обдирочная (черновая), получисто-вая и чистовая по два прохода в каждой — осуществляется на специальных торцешлифовальных станках типа А-954, А-946, СА-ЗМ., 3317. На всех станках предусмотрено одновременное шлифование всех торнов колец, движущихся непрерывно между абразивными кругами.
295
Шероховатость шлифованной поверхности, стойкость круга, производительность шлифования зависят от свойств обрабатываемого материала, припуска, снимаемого за каждый проход, характеристики абразивных кругов Примерные значения припусков, снимаемых за каждый проход, допуски на выполнение перехода и марки абразивных кругов приведены в табл. 7.5. Частота вращения кругов равна 760 мин-1, а продольная подача — 13—15 м/мин.
Окончательно торцы шлифуются после хромирования или покрытия рабочей поверхности кольца молибденом.
Таблица75 Режимы полирования торцов колец
Шлифование торцов № кода Снимаемый припуск, мм Отклонение размера, мм Абразивный круг
размер, мм марка абразива
Обдирочное 1 2 0,200 0,150 0,150 0,100 ПН750х 50x50 ЛН75ОХ 50x50 54С40СМ2Б9
Черновое 1 2 0,150 0,100 0,100 0,070 ПН750х 50x50 ПН750х 50x50 54С40СМ2Б9
Получистовое 1 2 3 0,070 0,070 0,060 0,050 0,050 0,040 ПР750х 45 x 350 ПР750 х 45 х 350 ПР750х 45x350 54С16С1Б9
Чистовое 1 2 3 0,040 0,020 0,010 0,020 0,017 0,016 ПР750Х 45x350 ПР750Х 45 x 350 ПР750 х 45 х 350 54С16С1Б9
После шлифования торцов и промывки колец для удаления следов абразивов и предохранения от коррозии выполняется одна из важнейших операций механической обработки — одновременное копирное обтачивание и растачивание пакета колец Эту операцию осуществляют На специальных станках типа МК-611. Набор пакета колец (30 — 48 шт.), ориентированных по лунке на внутренней поверхности кольца у замка, осуществляется на специальных приспособлениях, которые имеют валик диаметром, близким к диаметру технологической лунки на заготовках, вращающихся с частотой 250 — 300 мин-1. Устанавливаемые на валик заготовки обкатываются по нему до момента совпадения лунки с валиком и остаются зафиксированными в таком положении
Зажим пакета колец на операции одновременного обтачивания и растачивания осуществляется по торцам. Усилие зажима пакета колец целесообразно рассчитывать из условия отсутствия проворота колец при обработке по формуле
296
-->KPZO,5D,
2 г
где Q — усилие зажима пакета, f — коэффициент трения; К — коэффициент запаса, обычно равный 2,5; Pz — усилие резания; D — диаметр кольца.
Для поршневых колец диаметром до 200 мм рекомендованы режимы резания, приведенные в табл. 7.6.
Схема одновременного обтачивания и растачивания поршневых колец приведена на рис. 7.7 Производительность станка в зависимости от диаметра и высоты кольца — 400—2200 шт./мин.
Таблица76 Режимы обработки
Наименование Обрабатываемый материал
сч, кч ВЧ
Скорость резания Ц>, м/мин 36-58 30-40
Подача 5, мм/об 0,12—0,26 0,12-0,32
Марка твердого сплава резцов ВК-8 ВК-4
Обработка поверхностей замка. Вырезание замка, как правило, производят после копирного обтачивания и растачивания. Пакет заготовок устанавливают при помощи струбцины на приспособление к станку (типа ДФ-560) и ориентируют так, чтобы лунки по внутреннему диаметру заготовок находились между фрезами. После закрепления пакета струбцина снимается. Расстояние между наружными режущими кромками фрез выбирают
Рис. 7.7. Схема копировального устройства для обработки заготовок колец*
] — кулачок, 2 — резцедержатель с резцом, 3 и 5 — зажимные чашки, соответственно левая и правая, 4 — пакет поршневых колец, б — резни, а и b — расстояния соответственно от поворотного шарнира до копирного ролика и резцов, d\ и dj — диаметры опорной поверхности чашки, соответственно наружный и внутренний, S — подача, Д — движение подачи ; (вращение кулачка), V — скорость главного движения резания
297
исходя из расчетного размера замка в свободном состоянии и с учетом припуска на дальнейшее калибрование замка.
Калибрование замка может производиться на полуавтоматических станках различной конструкции. Пакет предварительно ориентированных колец 1 (рис. 7.8) закладывается в вырез неподвижного стакана 3 с заходным конусом и суживающейся направляющей шпонкой 2. В рабочем стакане кольцо обжимается от диаметра dBX до требуемого рабочего диаметра rfpa6 и шпонкой ориентируется относительно фрезы для калибрования с двух сторон. В зоне выхода из рабочего стакана замок калибруется вращающейся фрезой, после чего кольцо попадает на кольце-улавливатель. Операции калибрования замка выполняют на специальных горизонтально-фрезерных автоматах, при этом в каждом случае задается стыковой зазор в замке, который необходимо получить при определенных диаметрах калибра кольца.
В качестве инструмента для вырезания и калибрования замка применяют фрезы диаметром 80 мм и толщиной 2—3 мм. Замок вырезают при скорости резания = 42,8—43,5 м/мин и продольной подаче S = 55 мм/мин, а калибруют при скорости Vp = 31 м/мин и подаче S = 200—300 мм/мин.
Поверхности замка часто подвергают шлифованию для удаления заусенцев, острых кромок (под покрытие) и выступов хрома или молибдена (после нанесения покрытия).
Погрешности изготовления, малая жесткость технологической системы и неравномерный припуск на обработку, отклонения в ориентации пакета в большинстве случаев не обеспечивают требуемого плавного изменения кривизны по периметру поршневого кольца после копирного обтачивания и растачивания заготовок поршневых колец. Поэтому в процессе обработки поршневых колец вводится операция круглого обтачивания и растачивания.
Рис. 7.8. Схема устройства для калибрования замка:
1— фрезой увеличенной толщины; //— фрезой уменьшенной толщины; П1— в зоне выходного конуса устройства
298
Круглое растачивание и обтачивание осуществляют проходными твердосплавными резцами типа В К-6 со скоростью резания 40—80 м/мин и подачей S = 0,10—0,25 мм/об. При этом меньшие значения скорости и подачи принимаются при обработке поршневых колец из высокопрочных чугунов ВЧ.
Технологические операции, связанные с формированием рабочих поверхностей колец-фасок, конусных поверхностей, скребков и т. д., выполняются в большинстве случаев групповым методом, при котором пакет колец обрабатывается одновременно несколькими резцами, дисковыми или плоскими резцовыми гребенками соответствующего профиля. На рис. 7.9 показаны схемы подобных операций. На рис. 7.9, а производится снятие фасок под хромирование, которое осуществляют при подаче 5—3 м/мин, скорости резания Ур — 30 м/мин.
На рис. 7.9, б показана обработка конусного профиля ко-Лец проходными резцами при Ур — 50—55 м/мин и 5 — != 0,12—0,15 мм/об. Этой операции предшествует клеймение одного из торцов кольца, по которому в последующем ориентируются кольца при сборке для протачивания конуса. На рис. 7.9, виг
показаны соответственно схемы получения скребков маслосъемных колец и вырезания канавки коробчатых колец, которые выполняются при Ур = = 40—50 м/мин, 5= 0,02—0,03 мм/об.
Схема устройства для сборки колец в пакеты для обработки фасок приведена на рис. 7.10. Пакет заготовок 4 устанавливают на шпиндельной оправке 5 и закрывают на свободном торце центрирующей 6 и съемной 7 шайбами. При перемещении обжимной гильзы 8 в сторону шпинделя ее устанавливают по конусу оправки 2 и центрирующей шайбе 6, центрируя заготовки колец относительно шпинделя станка. После этого пневмоцилиндр, установлен-
Рис. 7.9. Схемы формирования рабочих поверхностей поршневых колец:
а — снятие фасок под хромирование; б — конусного профиля; в — скребкового профиля маслосъемных колец; г — канавки коробчатых маслосъемных колец
Рис. 7.10. Схема устройства для сборки колец в пакеты
ный на шпинделе при помощи штока 7, обжимает пакет колец между центрирующей шайбой и буртом оправки, гильза 5 отводится вправо, освобождая пакет колец для обработки необходимой комбинацией резцов 3.
При изготовлении колец трапецеидального типа предусмотрена операция обработки торцовой поверхности, которая подразделяется на черновую и чистовую.
Торцовую поверхность трапецеидальных колец получают лезвийной обработкой на специальных станках (черновая операция) или шлифованием на плоскошлифовальных станках с поворотным столом по одному кольцу с обеспечением взаимных линейных перемещений вращающегося круга и стола, установленных под углом, соответствующим конусности торца кольца.
Станок работает по автоматическому циклу: предварительное шлифование с выхаживанием. Так как шлифование ведется по одному кольцу, то производительность составляет не более 100 деталей в час. Точность угла наклона (7—1 Г) 12—20', параметр шероховатости поверхности Rz = 1—2 мкм.
У хромированных колец эту операцию производят после хромирования, так как для хромирования и доводки по покрытию поршневые кольца собирают в пакеты с обжимом по торцам, которые должны иметь высокую точность обработки.
Завершающей операцией механической обработки, а в некоторых случаях и подготовительной операции для хромирования поршневых колец является доводка их рабочей поверхности, осуществляемая притиркой или хонингованием.
Применяют несколько различных методов притирки колец:
S притирку набранных пакетом по 25—30 шт. колец на оправку в чугунной гильзе с применением пасты ГОИ и керосина на двухшпиндельных вертикальных станках в течение 12—15 мин;
зоо
Sпритирку в чугунной гильзе пакета колец, набранных на оправку. Внутренняя поверхность гильзы имеет алмазоносный слой, время притирки примерно 5 мин;
J хонингование абразивными брусками пакета колец, набранных на оправку, с охлаждением керосином, продолжительностью примерно 2 мин;
J притирку пакета колец по 30 щт. на оправке в сухой гильзе продолжительностью 0,5 мин;
J хонингование пакета колец, обжатых по диаметру и зажатых по торцу, алмазными брусками с охлаждением керосином ^продолжительностью 5 мин.
| При хонинговании в автоматическом цикле последовательно (осуществляют набор колец в пакеты, обжатие их по торцам на [оправке шпинделя станка, хонингование рабочей поверхности колец. Хон имеет устройство для измерения и регулирования (усилия прижима алмазных брусков, осуществляемого с помощью гидропривода. Хонингование производят при вращении пакета колец со скоростью 14 м/мин и возвратно-поступательном движении со скоростью 7 м/мин при длине хода 70 мм, давлении брусков 0,80 МПа. Охлаждение осуществляют керосином, производительность хонингования 100 колец в час, стойкость брусков 15 000 колец.
Для предварительного хонингования можно использовать бруски. На рис. 7 11 приведены данные о средних значениях h съема хрома по периметру кольца в точках т, = 1—5 при притирке в гильзе и охватывающем хонинговании. Недостатками метода являются его невысокая производительность и небольшая толщина снимаемого слоя хрома с поверхности при неравномерном слое хрома.
Последовательность обработки маслосъемных чугунных поршневых колец такая же, как и компрессионных колец
Прорезание маслоотводящих прорезей производят, как правило, после хромирования перед окончательным калиброванием замка на специальных двухшпиндельных автоматах. Поршневые кольца набираются в пакеты по 12 шт., прорезание ведут набором дисковых фрез одновременно с двух сторон. После прорезания кольца проворачивают на один шаг для прорезания следующих прорезей.
Загрузку и разгрузку пакета колец осуществляют специальными захватами. Скорость резания на этой операции 20—25 м/мин, подача до 26 м/мин. Производительность автомата — 750—1200 колец в час.
301
й, мкм
Рис. 7.11. Зависимость снимаемого слоя хрома от метода обработки’ 1 ~~ притирка в гильзе, 2 — хонингование
Рис. 7.12. Схемы плазменного напыления покрытий.
1 — распылители, 2 — молибденовая проволока
В отдельных случаях в технологическом процессе предусматривается операция окончательного растачивания колец для обеспечения равномерности радиальной толщины.
Износостойкие покрытия — молибден, хром, карбид вольфрама и другие компоненты — наносят после круглого обтачивания кольца, калибрования замка, снятия фасок и выполнения других подготовительных операций под покрытие (пескоструйной обработки, обезжиривания, зачистки и др.).
Для нанесения молибденового покрытия плазменным напылением кольца, набранные на оправку по 100 шт., подогревают до необходимой температуры (200 °C) в установке полуавтоматического типа (рис. 7.12). Распыление производят двумя распылителями. Кольца, установленные на оправке, вращаются и совершают возвратно-поступательные перемещения, количество которых устанавливается с помощью реле времени. Глубина наносимого слоя (0,8 мм) выбирается такой, чтобы после обработки слоя толщина составляла 0,4 мм. Цикл нанесения покрытия автоматизирован. Производительность установки в зависимости от диаметра колец и глубины слоя — 400—1200 колец в час. Основная часть поршневых колец, входящих в комплект дизелей и карбюраторных двигателей (верхние компрессионные и промежуточные, чугунные и стальные маслосъемные), хромируется. Нехромированные кольца покрывают противозадирным составом (лужение, фосфатирование). Хромируют кольца в ваннах на 302
вращающихся оправках с установленными на них в обжатом состоянии пакетами колец. Количество колец в оправке в зависимости от высоты кольца — 40—70 щт., количество оправок в ванне — 10—13, время хромирования — 6ч при толщине наносимого слоя твердого хрома 0,15—0,20 мм.
Хромовое покрытие поршневых колец, несмотря на отдельные недостатки, свойственные и другим видам покрытия, считается вследствие малой подверженности хрома изнашиванию достаточно надежным и эффективным. Основные недостатки покрытия твердым хромом: наличие трещин в слое, отслаивание покрытия, неравномерность толщины слоя хрома, ограниченная стойкость к прижогам — явились причинами поиска новых видов покрытий и способов их нанесения.
В настоящее время проводятся работы по замене хромового покрытия поршневых колец молибденовыми покрытиями, наносимыми газопламенной металлизацией, плавлением, напылением и плазменным легированием. Нанесение на чугунное кольцо молибденового покрытия газопламенной металлизацией дает в ряде случаев лучшие результаты по сравнению с хромированием. Однако иногда отмечают меньшую износостойкость и невысокую прочность молибденового покрытия.
Повышение стойкости поршневых колец для нагруженных двигателей могло бы быть осуществлено за счет увеличения толщины слоя молибденового покрытия, но при этом в слое возникают большие внутренние напряжения, которые сопровождаются образованием трещин и разрушением покрытия, особенно Наблюдаемые в работающем двигателе, когда вследствие различных коэффициентов теплового расширения материалов кольца и поршня внутренние напряжения начинают увеличиваться.
Износостойкость поршневых колец при газопламенной металлизации выше, чем при плазменном напылении.
Общие недостатки методов нанесения — недостаточная прочность сцепления покрытия и большие внутренние напряжения, особенно в слоях глубиной 0,5 мм и более. Увеличение толщины слоя более 0,5 мм приводит к сколам покрытия при работе двигателя.
С увеличением содержания молибдена возрастает склонность к образованию в покрытии трещин, поэтому в состав покрытия вводят высокопластичные сплавы с большим коэффициентом теплового расширения, при этом алюминиевая фаза покрытия действует как компенсатор напряжения в покрытии.
303
Для повышения износостойкости компрессионных поршневых колец высокооборотных дизелей применяют состав для нанесения покрытия плазменным способом, состоящий из карбидов вольфрама в композиции с никелем и другими элементами.
Напыление и связанные с ним технологические операции выполняются на автоматической линии. Покрытие наносится одновременно на два пакета колец, набранных и обжатых на вращающихся оправках.
У поршневых колец с покрытием из карбидов вольфрама износостойкость увеличилась в 2 раза. Основная особенность последующей обработки колец с покрытием из карбидов вольфрама заключается в применении для профильного шлифования алмазных кругов и обеспечении беззазорного прилегания поршневых колец при их изготовлении.
Обработанные поршневые кольца подвергаются визуальной оценке по их внешнему виду. При осмотре поршневых колец отбраковывают детали по видимым трещинам, сколам, коррозии, явным дефектам, шероховатости поверхности.
Поршневые кольца подвергают 100%-й проверке по высоте, тепловому зазору, радиальному биению, короблению. Выборочно проверяют радиальную толщину, упругость, твердость, химический состав металла, структуру, модуль упругости, прочность, остаточные деформации, толщину покрытия. Контроль линейных размеров поршневых колец: высоты, радиальной толщины — проводят обычно в пяти точках по периметру точными микрометрическими приборами. Контроль теплового зазора кольца проводят щупами при его установке в кольцо-калибр номинального диаметра, а контроль радиального зазора — на просвет.
Индикаторные приборы применяют для измерения радиальной толщины (см. рис. 7.13, а)\ угла наклона (а = arctg Д/Л при h = const) образующей колец (см. рис. 7.13, 6); угла скручивания (а = arctg Д/а, а — const) торсионных колец (см. рис. 7.13, в), измеряя Д при перемещении индикатора на расстояние а; размера А (В = const) трапецеидальных колец (см. рис. 7.13, г); угла наклона (а = arctg Д/с. а = const) торца трапецеидальных колец (см. рис. 7.13, д'); образующей рабочих поясков коробчатых колец (см. рис. 7.13, е); кривизны образующей (рис. 7.14) при измерении размера 4 двумя индикаторами, установленными друг от друга на расстоянии h.
Методы определения коробления поршневых колец заключаются в проверке отклонений от плоскостности колец путем их соприкосновения с контрольной плоскостью при равномерной 304
Нагрузке по торцу кольца или пропускании колец через калибро-анную щель, образованную из двух плоских полированных плит.
В автомобилестроении применяют стальные поршневые :ольца из специальной стальной пружинной ленты с закруглен-[ыми кромками. Четырехэлементное стальное кольцо состоит в двух плоских стальных витых сегментов, радиального и осе-ого расширителей.
В комплекс технологического обору
дования, предназначенного для изготовления колец, входят формовочно-нави-вочные автоматы трех типов, автоматы для термофиксации сегментов и др.
Навивка сегментов производится про-талкивателем 2 (рис. 7.15), который проталкивает ленту 4 в три навивочных ролика 3 с направляющими канавками посередине. Сегменты могут иметь круглую фор-,му и форму кольца в свободном состоянии. Когда кольцо 7 навито, лента зажи
Рис. 7.14. Схема проверки кривизны образующей поршневого кольца
20 — 5935
305
мается и ножи отрубают навитый сегмент. Сегменты автоматически в ориентированном порядке укладываются на оправки для последующей их термофиксации в электропечи проходного типа. Производительность автомата 3600—4500 сегментов в час. После термофиксации сегменты набираются на оправку и хромируются с последующей притиркой по хромовому покрытию.
Осевые расширители получают из стальной ленты на специальном автомате по схеме: получение гофрированной ленты, отделение навитого расширителя и укладка его на оправку. Гофрирование осуществляется пропусканием ленты между двумя, находящимися в зацеплении, вращающимися звездочками с плоскими поверхностями зубьев. Гибка в кольцо производится аналогично гибке сегментов. Производительность автоматов — 3600 расширителей в час.
Радиальный расширитель изготавливается из пружинной ленты У10А за одну операцию на штамповочном автомате по схеме: пробивание в ленте щелей с заданным шагом по периметру, формообразование расширителя, отрезание и укладка. Производительность автомата — 100 расширителей в час.
Тангенциальный расширитель, заменяющий два расширителя в первоначальной конструкции кольца, изготавливается на автоматической линии по схеме: пробивание щелей и прорезей последовательно с двух сторон ленты, формирование профиля расширителя — навивка в спираль, термообработка и рубка сегментов по 1 шт.
Рис. 7.15. Схема навивки сегментов стальных колец
306
Технологические и эксплуатационные преимущества стальных витых поршневых колец перед чугунными определяют перспективность их применения в карбюраторных двигателях и в двигателях, подлежащих капитальному ремонту. Введение в конструкцию и технологию изготовления тангенциального расширителя вместо двух расширителей еще более повышает эффективность стального маслосъемного кольца в эксплуатации.
Высокие антифрикционные свойства металлокерамических .материалов, возможность создания точно заданных композиций материалов легли в основу разработки конструкции и технологи изготовления верхних компрессионных металлокерамиче-|ких колец автомобильных двигателей.
Технологический процесс механической обработки металлокерамической заготовки строится по следующей принципиальной схеме: шлифование торцов, разрезание кольца тонким кругом, термофиксация, предварительное калибрование замка, 1дновременное круглое обтачивание и растачивание, шлифование рабочей поверхности, шлифование замка и притирка.
l При заготовке кольца эллиптической формы отпадает необходимость термофиксации, и принципиальная схема обработки И этом случае такая: шлифование торцов, одновременное копир-|юе обтачивание и растачивание, вырезание замка, калибрование замка, далее обработка идет по приведенной выше схеме.
[ При снятии припуска металлическим инструментом значи-|ельно увеличиваются силы резания и температура, что ведет к |.бразованцю внутренних напряжений в кольце и остаточным Ьвформациям, к искажению формы и нарушению плотности прилегания кольца к стенкам цилиндра.
опросы для самопроверки
1 Какие современные материалы применяют для изготовления поршней быстроходных форсированных двигателей?
2 В чем особенности и преимущества бескопирвого метода обработки поршней7
3 Каковы особенности конструкций компрессионных поршневых колец9
4 . Какие существуют прогрессивные методы получения заготовок поршневых колец?
5 Каким образом осуществляют нанесение износостойких покрытий9
Глава 8
Технология производства цилиндрических зубчатых колес
8.1. Особенности зубчатых колес
В коробках передач автомобилей применяют в основном цилиндрические зубчатые колеса, обладающие высоким КПД, компактностью и надежностью в эксплуатации. Доля цилиндрических зубчатых колес в автомобильных коробках передач самая большая в общем ассортименте цилиндрических колес с зубьями средних модулей.
Стандартом установлено 12 степеней точности для цилиндрических зубчатых колес Для каждой степени точности установлены три нормы точности — кинематическая, норма плавности работы и норма пятна контакта. В автотракторной промышленности в основном применяют зубчатые колеса 7—8-й степеней точности
Для различной окружной скорости предусматриваются разные степени точности и параметры шероховатости Ra обработанных зубьев колес ( табл 8.1).
Таблица81 Рекомендуемые степени точности и параметры шероховатости Йодля окружной скорости
Окружная скорость, м/с Степень точности Шероховатость Яа, мкм
До 2,5 8 2,5-1,25
2,5-6 7-8 0,63-2,5
6-16 6-7 0,63-1,25
16-40 5-6 0,32-1,25
По служебному назначению цилиндрические зубчатые колеса подразделяют на одновенцовые без ступицы или с короткой ступицей, многовенцовые, валы-шестерни и зубчатые венцы. Для улучшения физико-механических свойств зубчатые колеса, как правило, подвергают различным видам термической и химико-термической обработки.
В зависимости от твердости боковых поверхностей зубьев зубчатые колеса делят на две группы:
308
* с низкой и средней твердостью (НВ < 270);
J с высокой твердостью поверхности зубьев (50—63 HRC3).
Зубчатые колеса, относящиеся к первой группе, окончательно проходят термообработку до механической обработки, второй — проходят химико-термическую обработку и закалку в процессе механической обработки.
Стандартизация и унификация зубчатых колес способствуют значительному снижению станкоемкости изготовления и повы-иению качества зубчатых колес Центральные посадочные отверстия в зубчатых колесах изготавливают гладкими, шлицевыми, коническими и со шпонками.
Таблица82 Технологическая характеристика формы цилиндрических зубчатых колес
Тип зубчатого колеса, технологическая ________характе ри стика_______ С малым числом зубьев (шестерни) и с отверстием цилиндрическим (гладким или шлицевым)
Эскиз
Применяемое- оборудование для обработки
конусным
Обрабатываются на станках с Iорнзонтальной осью
Вал-шестерня односторонний
Обрабатываются на станках с горизонтальной осью
двусторонний
Насадные:
со ступицей и выточками
I я
Обрабатываются, особенно при большом диаметре зубчатого венца, на станках с вертикальной осью
309
Продолжение табл 82
Тип зубчатого колеса, технологическая характеристика Эскиз
с шейками
J—- — т
плоское
1 — - .
- — .
Составные
ступица pH
венцовое колесо
Е • =
1
Применяемое оборудование для обработки
Обрабатываются, особенно прн большом диаметре зубчатого венца, на станках с вертикальной осью
На выбор технологического процесса изготовления цилиндрического зубчатого колеса влияют'
— форма цилиндрического колеса — определяет выбор оборудования и базирование при механической обработке (технологическая характеристика формы цилиндрических зубчатых колес дана в габл. 8 2),
— форма и расположение зубчатого венца — предопределяет выбор метода зубообработки и выбор баз на этих операциях;
— число зубчатых венцов на блоке шестерен и их расположение — влияет на число операций зубообработки и их характер; материал колеса — влияет на режимы обработки и методы получения заготовок,
— точность зубчатого венца — определяет выбор операций зу-боотделки и окончательной обработки посадочных поверхностей.
310
8.2. Материалы для изготовления зубчатых колес и методы получения заготовок
В зависимости от назначения, передаваемых нагрузок и условий эксплуатации выбирают материал для изготовления зубчатых колес При этом необходимо учитывать требования к материалу: хорошая обрабатываемость резанием, наименьшее коробление при термообработке, низкая стоимость.
В соответствии с основными эксплуатационными требованиями высокой прочности, износостойкости, долговечности и с учетом технологических требований для производства зубчатых колес применяют конструкционные стали, углеродистые (40, 45, 50); углеродистые пониженной прокаливаемости (55ПП), хромистые (20Х, 35Х, 40Х, 50Х); хромоникелевые (12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 20ХН, 40ХН), хромоникелевые с бором (20ХНР), молибденом (20ХНМ, 20ХН2М, 18Х2Н4МА), хромо-марганцевые (18ХГ), хромомарганцевые с титаном (18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ), никелем (14ХГН, 19ХГН), молибденом (25ХГМ); хромомолибденовые (20ХМ), хромомарганцевоникелевые с титаном (15ХГНТА, 15ХГН2ТА), бором (20ХГНР), титаном и бором (20ХГНТР), молибденом и титаном (25ХГНМТ); хромомолибде-ноалюминиевые (38ХМЮА, 38Х2МЮА).
Основные недостатки зубчатых колес, изготовленных из углеродистых сталей, — относительно низкая прочность и большое коробление при термообработке.
Легированные стали с содержанием хрома, никеля, молибдена и других легирующих элементов используют для изготовления высоконагруженных зубчатых колес В связи с малым содержанием углерода поверхностный слой зубчатых колес, изготовленных из легированных сталей, подвергается цементации и нитроцементации, а среднеуглеродистые — азотированию. После химико-термической обработки зубчатые колеса из этих сталей имеют высокие износостойкость, ударную вязкость, сопротивление усталости.
Стоимость материала для зубчатых колес массового производства составляет обычно 50—55 % общей стоимости зубчатого колеса. Во многих случаях экономически целесообразнее изготавливать зубчатые колеса из высококачественных легированных сталей, значительно повышающих срок службы колес, надежность в эксплуатации. Значительно реже для зубчатых колес используют серый чугун, пластмассы, слоистые пластики и мера шокерамические материалы. Из серого чугуна изготавливают к 311
К
зубчатые колеса, работающие при малых окружных скоростях и передающие небольшие усилия. Зубчатые колеса из слоистых пластиков: текстолита, нейлона и других, работающие при высоких окружных скоростях (40—50 м/с), отличаются отсутствием шума при работе, плавностью передачи и способностью гасить вибрации. При этом они входят в зацепление с колесами, изготовленными из стали или твердого чугуна.
Расход металла на изготовление зубчатого колеса и трудоемкость его изготовления в значительной степени зависят от метода получения заготовок. Технологический процесс получения заготовки зубчатого колеса должен обеспечить мелкозернистую структуру и наилучшее расположение волокон материала. К основным технологическим процессам получения заготовок зубчатых колес относят: свободную ковку; штамповку на кривошипных ковочно-штамповочных прессах, горизонтально-ковочных машинах; поперечно-клиновую прокатку; холодную штамповку; горячую высадку на многопозиционных автоматах; спекание из порошковых смесей в закрытых штампах. Точность заготовок зубчатых колес, полученных свободной ковкой на ковочном молоте, соответствует 16—-17-му квалитетам, шероховатость поверхности Ra = 10,0—12,50 мкм.
При серийном производстве зубчатых колес сложной конфигурации и одновенцовых колес поковки получают штамповкой в подкладных штампах с точностью 14—16-го квалитетов, припуск на последующую обработку составляет 3—4 мм на сторону. В крупносерийном и массовом производстве заготовки большинства цилиндрических зубчатых колес изготавливают на кривошипных горячештамповочных прессах, многопозиционных горячештамповочных автоматах, горизонтально-ковочных машинах и молотах в закрытых штампах.
Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют ббльшую точность (11—14-го квалитетов), меньшую шероховатость, меньший припуск, больше приближаются к геометрической форме и размерам детали. При диаметре центрального отверстия поковки 25 мм и выше оно прошивается.
Перед штамповкой заготовки нагревают ТВЧ, в пламенных и индукционных печах. При нагревании в пламенных печах на заготовках образуется значительная окалина, увеличивающая отходы металла и снижающая срок службы штампов. Нагревание в индукционной печи протекает в 13—15 раз быстрее, чем в пламенной, а при применении нейтральной атмосферы в этом случае окалины на заготовках не образуется. Для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости откованные или отштампо-312
ванные заготовки независимо от оборудования, на котором они получены, подвергаются термообработке — нормализации или отжигу. После термообработки заготовки очищают от окалины и контролируют по основным размерам, положению внешних поверхностей относительно центрального отверстия и по твердости.
В последнее время распространено изготовление заготовок зубчатых колес с предварительным получением зубчатого венца, что .позволяет сэкономить материал, снизить трудоемкость механической обработки и улучшить расположение волокон материала.
, Предварительное формообразование зубчатого венца осуществляется штамповкой или горячим и холодным накатыванием зубьев. Полученные заготовки для снятия внутренних напряжений и улучшения их обрабатываемости подвергают термообработке — нормализации или отжигу.
Стальные зубчатые колеса малых наружных диаметров обычно изготавливают из пруткового материала. Коэффициент использования материала при изготовлении зубчатых колес составляет 0,40—0,75.
8.3. Особенности базирования зубчатых колес
При изготовлении зубчатых колес выбор баз зависит от формы, размера и точности колеса. Наиболее целесообразно все операции, связанные с обработкой и контролем зубьев, производить начиная от конструкторских баз, что позволит уменьшить погрешности, вызванные несовмещением технологических и конструкторских баз. Однако вследствие специфичности обработки цилиндрических зубчатых колес, особенно закаленных, полное совмещение технологических и конструкторских баз на всех операциях практически неосуществимо.
При изготовлении насадных шестерен с цилиндрическим ^гладким или шлицевым отверстием в качестве технологических раз при зубообработке используют посадочное отверстие и торец. L При изготовлении закаленных зубчатых колес во время Окончательной обработки посадочных отверстий после термообработки в качестве технологической базы используют зубчатый Венец с опорой на базовый тореи зубчатого венца (рис. 8.1). И Большое внимание уделяется подготовке базовых поверхностей под зубообработку. Так, базовые отверстия хонингуют, подвергают тонкому растачиванию отверстия и подрезанию базового S орца. В качестве опорного торца, если это возможно, выбирают
313
а б
Рис. 8.1. Установка и центрирование детали при шлифовании в ней отверстия. а — центрирование роликами, б — центрирование шестернями
торец, имеющий наибольший диаметр, обрабатываемый за один установ с отверстием. Если базовое отверстие шлицевое, то для более простого и экономичного базирования необходимо использовать внутренний диаметр шлицев с установкой на гладкой оправке. В этом случае независимо от способа центрирования зубчатою колеса, имеюшего шлицевое отверстие, с сопряженной деталью необходимо, чтобы шлицы по внутреннему диаметру были обработаны (в частности протянуты) концентрично базовым поверхностям шлицевого отверстия. Это достигается одновременным протягиванием всех поверхностей шлицев специальной протяжкой. Точность базовых поверхностей для нарезания зубьев цилиндрических колес приведена в табл. 8.3.
Таблица83 Точность базовых поверхностей цилиндрических колес
Номинальный диаметр заготовки, мм Биение торна, мм Допуск на диаметр отверстия, мм Конусность отверстия на длине 25 мм Отклонение диаметра отверст ия, мм Дрпуск на наружный диаметр, мм Биение по наружному диаметру, мм
До 25 0,008-0,013 0,008-0,015 0,005-0,008 0,005-0,008 0,108 0,080
Свыше 25 до 100 0,010-0,020 0,013-0,025 0,005-0,008 0,008—0,013 0,130 0,130
Свыше 100 до 200 0,015-0,030 0,020-0,030 0,005-0,008 0,010-0,015 0,130 0,130
Свыше 200до300 0,025-0,050 0,025-0,038 0,005-0,008 0,013-0,018 0,130 0,130
314
8.4. Типовой технологический процесс обработки одновенцовых зубчатых колес
Конструктивные особенности одновенцовых цилиндриче-ких зубчатых колес состоят в том, что их наружный диаметр юльше высоты, центральное отверстие имеет гладкую поверх-юсть или шлицы.
Технологическая схема обработки заготовок одновенцовых убчатых колес состоит из такой последовательности:
✓ обработка центрального отверстия и одного из торцов;
S обработка детали по наружному контуру (черновая и чис-эвая), (Пример технологической наладки обработки зубчатого ’ олеса на шестишпиндельном полуавтомате приведен на рис. .2, на одношпиндельном — на рис. 8.3);
S нарезание зубьев наружного и внутреннего венцов;
J зубозакругление и снятие фасок на зубьях;
✓ зубошевингование (зубья наружного венца);
✓ термообработка;
J чистовая обработка центрального отверстия и базовых тор->в;
J чистовая отделка зубьев зубчатых колес.
8.2. Технологическая наладка обработки зубчатого колеса на шестишпиндельном полуавтомате
1—6 — позиции обработки
315
Рис. 8.3. Технологическая наладка обработки зубчатого колеса на одношпин-цельном многорезцовом полуавтомате
В автоматических линиях, предназначенных для обработки зубчатых колес, применяют серийные станки, в которых специально предусмотрена автоматическая загрузка заготовок или возможность ее осуществления Почти все станки можно быстро переналадить на обработку однотипных деталей.
Для всех линий характерно удобное для эксплуатации расположение оборудования. Увеличение площадей и связанное с этим некоторое повышение амортизационных расходов окупаются ростом производительности; удобством технического обслуживания и ремонта.
В качестве примера рассмотрена схема технологического процесса обработки зубчатых колес первой передачи легкового автомобиля.
В табл. 8.4 приведена последовательность их обработки Заготовки изготавливают из стали 19ХГН методом горячей штамповки. Припуск под механическую обработку по наружным и внутренним поверхностям — 2,5—3’5 мм, по торцам — 2,5—3,0 мм. Допуски на окончательно обработанное зубчатое колесо: накоп
316
ленная погрешность окружного шага — 0,015 мм, погрешность профиля — 0,015 мм, погрешность направления зуба — 0,02 мм и эксцентричность —• не более 0,04 мм, что соответствует 6—7-й степеням точности.
Т а б л и ц а 8 4 Технологический процесс обработки зубчатого колеса
№ операции
Операции
Растачивание отверстия, подрезание торцов и снятие фаски с двух сторон Предварительное обтачивание малого венца и подрезание торца большого венца
Протягивание отверстия
Количество одновременно обрабатываемых деталей
Оборудование
2 Восьмишпиндельный токарный двухиндекс-ный станок
Промывка детали
Окончательное обтачивание наружного венца и подрезание торцов
Подрезание торна ступицы со стороны, противоположной коническому выступу, окончательное подрезание торцов зубчатого колеса и желоба гнезда пружинного кольца Промежуточный контроль
2 Вертикально-протяжной двухшпиндельный станок
16 Камерная моечная машина
2 Восьмишпиндельный двухин-
* дексный токарный станок
2 Двухшпиндельный токарный станок с автоматической загрузкой
Контрольный стол
317
Продолжение табл 8 4
N> операции
70
Операции
Нарезание зубьев конического выступа
80 Промывка детали
90 Снятие фасок на зубьях
100
НО
115
120
140
150
Сверление радиальных отверстий и фрезерование канавок на торцах
Снятие внутренних фасок смазочных отверстий и канавок Промывка детали
Нарезание зубьев шестерни первой передачи Промывка детали
Снятие фаски торцовых острых кромок с двух сторон Зачистка заусенцев торцов зубьев
155
160
Снятие заусенцев
170
190
200
Шевингование зубьев
Выборочная проверка вращения зубчатого колесас эталон ным
Промывка детали
Количество одновременно обрабатываемых деталей
1
Оборудование
Зубодолбежный станок
Камерная моечная машина Зубофасочный станок
2 Специальный автоматический агрегатный станок
16 Камерная моеч-
ная машина
2 Зубофрезерный
станок
16 Камерная моеч-
ная машина
16 Станок для сня-
тия фасок
Специальный верстак
Шевинговаль-иый станок Прибор для проверки межцентрового расстояния зубчатых колес Автоматическая машина тоннельного типа
318
Продолжение табл 8 4
№ операции
220
230
Операции
Зачистка щетками конического зубчатого венца
Шлифование отверстия и торца со стороны зубчатого венца
Количество одновременно обрабатываемых деталей
Оборудование
Головка со щетками и с вращающимся столом Шлифовальный станок
Шлифованне торца со стороны, противоположной коническому зубчатому венцу
Плоскошлифовальный станок с магнитным столом
250 Промывка детали
260 Контроль
Камерная моечная машина Прибор для испытания зубчатого колеса на уровень шума
Изготовление зубчатого колеса первой передачи производят на отдельных поточных линиях. Предварительное обтачивание со стороны ступицы с подрезанием внутреннего торца большого венца выполняют на токарном восьмишпиндельном горизонтальном двухиндексном автомате, протягивание отверстия — на протяжном вертикальном двухплунжерном скоростном (24 м/мин) станке Установка деталей при протягивании осуществляется на жесткой или шаровой опоре (рис. 8.4), если торец детали не подрезан (черная, необработанная поверхность). Затем следует окончательное обтачивание наружных поверхностей, полуокон-.чательное подрезание торцов венца и ступицы на токарном автомате. Окончательное протачивание двух торцов венца и сту-” ицы и кольцевой канавки выполняют на токарном горизон-альном двухшпиндельном станке.
Базирование детали на зубофрезерной операции производят о отверстию разжимной оправкой (рис. 8.5), обеспечивающей здиальное и торцовое биения зубчатого колеса до 0,01 мм. По-ie токарной обработки нарезают зубья малого венца на зубодол-
319
Рис. 8.4. Установка деталей при протягивании:
а — на жесткой опоре 1 — лобовая часть станка; 2 — опорная шайба; 3 ~ обрабатываемая деталь; 4 ~ протяжка; б —на шаровой опоре. 7 — пружина, 2 — опорная шайба; 3 — шаровая опора, 4 — обрабатываемая деталь, 5 — протяжка
бежных станках, фрезеруют скосы на торцах зубьев на зубозакругляющем станке, сверлят радиальные отверстия и фрезеруют на шестипозиционной автоматической линии масляные пазы с двух сторон: один — на торце ступицы и два — на торце венца. Затем фрезеруют зубья большого венца одновременно двух деталей на зубофрезерных станках, снимают фаски на зубьях и зачищают заусенцы по торцам венца на специальном двухшпиндельном станке, а заусенцы по кольцевой канавке — на токарном. Зубья большого венца обрабатывают на шевинговальных станках, после чего детали промывают, контролируют на вращение с эталонным зубчатым колесом, зачищают заусенцы металлическими щетками на станке с вращающимся столом.
Зубообрабатывающие станки оснащены устройствами автоматической загрузки деталей и накопителями. После термообработки шлифуют отверстия и торцы ступицы зубчатых колес на внут-ришлифовальном станке с базированием по зубу. Предварительная ориентация по зубу производится подпружиненными шариковыми фиксаторами, окончательный зажим — жестким клиновым штырем мембранного патрона. Торец венца шлифуют на плоскошлифовальном станке. Далее зубчатые колеса поступают на промывку, затем на контроль и фосфатирование. В рассматри-320
£ Рис. 8.5. Приспособление для закрепления венца маховика v । при зубофрезеровании
ваемом процессе исключена операция хонингования отверстия перед зубонарезанием. Зубчатые колеса других передач обрабатывают по аналогичной технологии.
При изготовлении косозубых цилиндрических зубчатых колес применяют способ фрезерования (иногда называемый способом наклонного фрезерования), заключающийся в следующем. Направляющие салазок суппорта фрезы устанавливают под углом, эквивалентным углу наклона фрезеруемых зубьев. Подачу фрезерных салазок осуществляют по направлению наклона зубьев. При этом способе непрерывно смещается поле зацепления червячной фрезы. При выборе ширины фрезерования необходимо учитывать соотношение между углом наклона зубьев и шириной фрезы. При таком фрезеровании сокращается машинное время, так как время врезания и время, затрачиваемое на выход фрезы при фрезеровании косозубых зубчатых колес, меньше, чем при обкатном способе: она проходит по направлению зубьев, а не по направлению обката изделия. Станки не имеют дифференциала, что сокращает кинематическую цепь и повышает жесткость станков.
21-5935 321
При зубофрезеровании благодаря использованию станков с высокой жесткостью и применению высококачественного инструмента скорости резания достигают 75 м/мин. Специальная конструкция червячных фрез с большим количеством зубчатых реек (до 15) позволяет повысить подачу без увеличения шероховатости поверхности зубьев. Зубчатые колеса других передач обрабатывают по аналогичной технологии.
8.5. Основные методы зубонарезания цилиндрических зубчатых колес
Обработку прямозубых и косозубых зубчатых колес вследствие универсальности и высокой режущей способности производят зубофрезерованием червячными фрезами.
Фреза представляет собой одно- или многозаходный червяк с продольными стружечными канавками, образующими отдельные зубья прямолинейного профиля, у которых в процессе изготовления формируются передние и затылованные задние углы, необходимые для обработки резанием.
В процессе обработки (рис 8.6, а) червячная фреза 1 и нарезаемое зубчатое колесо 2 получают вращательные движения относительно друг друга При этом фреза перемещается вдоль оси обрабатываемого зубчатого колеса. Ось фрезы по отношению к оси детали расположена под углом, равным алгебраической сумме или разности углов подъема винтовой линии инструмента и наклона линии зуба обрабатываемого зубчатого колеса.
Червячные фрезы бывают одно-, двух- и многозаходные. Од-нозаходные червячные фрезы применяют для чистовой обработки и чернового зубофрезеровании перед операцией шевингования. Многозаходные червячные фрезы с некратным отношением числа заходов к числу зубьев нарезаемых зубчатых колес рекомендуется использовать при зубофрезеровании под последующее шевингование.
Нарезание зубьев зубчатых колес осуществляют попутным или встречным зубофрезерованием (вращение червячной фрезы в направлении или против подачи).
Червячные фрезы представляют собой сборную конструкцию. Корпуса фрез выполняют из углеродистой стали, а режущие рейки — из быстрорежущей стали марок Р6М5, Р6М5К5 или Р9М4К8, закаленной до твердости 65—68 HRC3. В процессе 322
Рис. 8.6. Схемы зубофрезерования зубьев червячной фрезой с различными видами подач
а, б — с осевой, в — с радиально-осевой, г — с диагональной 1 — инструмент,
2 — деталь
бофрезерования с применением данных фрез скорость реза-ия достигает 65—80 м/мин, подача — до 6 мм/об.
При использовании твердосплавных червячных фрез скорость резания — 120—160 м/мин и подача — 2 мм/об. Зубофре-зерование может производиться при осевой, переменно-осевой, радиально-осевой и диагональной подачах.
Зубофрезерование при осевой подаче (см. рис. 8.6, б) заключается в перемещении инструмента параллельно оси обрабатываемого зубчатого колеса. Данный вид обработки универсален и поэтому широко распространен. Основной недостаток способа — большая длина врезания, резко возрастающая с увеличением диаметра применяемой червячной фрезы и угла наклона линии зуба обрабатываемого зубчатого колеса.
Зубофрезерование при переменно-осевой подаче, когда величина подачи возрастает только при входе и выходе червячной фрезы из зоны резания, применяют для обработки зубчатых колес с модулем зубьев до 5 мм и углом наклона линии зуба, при котором
21*
323
путь врезания достаточно велик. Данный вид зубофрезерования позволяет увеличить производительность процесса на 20—35 %.
Зубофрезерование при радиально-осевой подаче (см. рис 8.6, в) также осуществляют червячной фрезой, которая в начале процесса резания врезается на полную глубину зуба, а затем получает осевую подачу. Данный способ обработки осуществляяют на специальных зубофрезерных станках Для уменьшения нагрузок, возникающих в процессе резания, и увеличения стойкости инструмента значение радиальной подачи должно быть меньше значения осевой в отношении 1 . 2 или 1 • 2,5. Производительность процесса при радиально-осевой подаче на 10—15 % выше, чем при осевой, вследствие сокращения времени на врезание Зубофрезерование с радиально-осевой подачей применяют при обработке косозубых зубчатых колес с большим углом наклона линии зуба, с закрытым зубчатым венцом, при использовании червячных фрез большого диаметра, а также при двухпроходном зубофрезерован и и.
Зубофрезерование при диагональной подаче (см рис. 8.6, г) осуществляют на специальных зубофрезерных станках при подаче червячной фрезы под углом к оси обрабатываемого зубчатого колеса. При этом осевая подача совмещается с непрерывным перемещением червячной фрезы вдоль своей оси. Перемещение составляет 0,2 мкм за один оборот фрезы
Автоматическое перемещение червячной фрезы может быть шаговое, при котором фреза перемещается на определенное расстояние в осевом направлении после обработки каждого зубчатого колеса, пакета или партии зубчатых колес.
При диагональном зубофрезеровании по сравнению с осевым существенно повышается стойкость червячных фрез вследствие более равномерного износа зубьев по рабочей длине фрезы, обеспечивается малая шероховатость поверхности профиля зуба обрабатываемого зубчатого колеса, улучшается сопрягаемость профилен зубьев прямозубых зубчатых колес.
Зубофрезерование при диагональной подаче используют для обработки нескольких зубчатых колес одновременно, зубчатых колес с широким зубчатым венцом и повышенной твердостью. При данном способе зубофрезерования целесообразно использование более длинных червячных фрез.
Двухпроходное фрезерование зубчатых колес в автоматическом режиме отличается от других видов фрезерования повышенной режущей способностью червячных фрез и высокой стойкостью инструмента.
324
Рис. 8.7. Схемы двухпроходного зубофрезерования
-II— ускоренный подвод фрезы, II—III— медленная подача фрезы. III—IV— рабочая по-ча первого прохода, IV—VI—ускоренные отвод и подвод фрезы, VII—VIII— рабочая подача второго прохода, VIII—I— ускоренный отвод фрезы
При двухпроходном фрезеровании (рис 8.7) обработка производится за один установ заготовки Первый и второй проходы червячной фрезой осуществляются последовательно, причем при втором проходе глубина резания составляет 0,5—1 мм Первый проход обычно производится при попутной подаче, второй — при встречной. Режимы резания при переходе от первого ко второму проходу автоматически изменяются. На первом проходе значения скорости резания и подачи обусловлены стойкостью червячных фрез и жесткостью технологической системы. На втором проходе, сопровождающемся удалением незначительного припуска, значения скорости резания и осевой подачи инструмента увеличиваются по сравнению с их значениями на первом проходе.
Двухпроходное зубофрезерование рекомендуется применять при нарезании зубьев зубчатых колес с модулем выше 4—5 мм и малым числом зубьев.
„ Чистовая обработка цилиндрических зубчатых колес средних .модулей однозаходными червячными фрезами обеспечивает 7—8-ю степени точности и Rz = 20—10 мкм. Прямозубые двух-Венцовые колеса одного модуля и угла профиля можно обрабатывать червячной фрезой по схеме, приведенной на рис. 8.8, а.
Широкое распространение при обработке цилиндрических зубчатых колес в автоматических линиях находят зубофрезерные станки с ЧПУ. Схема зубофрезерования одновенцовых колес в два прохода и двухвенцовых зубчатых колес представлена на рис. 8.8, б, в
I Точка I является началом координат х, у, автоматический 'выход в которую обеспечивается перед началом цикла, а осталь-!ные точки (2—10) соответствуют последовательности перемеще-L 325
Рис. 8.8. Схемы зубофрезерования червячными фрезами
а — двухвенцовых зубчатых колес в два прохода 1 — иснтрумент, 2 — деталь, б — одновен-цового колеса на станках с ЧПУ 1—10 — точки цикла, в — двухвенцового колеса на станках
с ЧПУ 1—7 — точки цикла
ния червячной фрезы в процессе обработки. Циклы зубофрезерования задаются следующими параметрами:
/расстоянием, на которое перемещается червячная фреза на ускоренном ходу (Л]),
J длиной ее врезания (А2 и A3),
J значением и направлением перемещения фрезы при первом рабочем ходе (Вг) и втором — (В2),
J расстоянием между венцами зубчатых колес (/?з) (см рис. 8.8, в)
Микропроцессорная система станка обеспечивает программное регулирование подачи инструмента как при рабочем, так и при вспомогательных ходах, что позволяет значительно уменьшить машинное время обработки, так как величина подачи изменяется в зависимости от нагрузки при резании
Для сокращения основного машинного времени зубофрезерный станок обкатного типа можно комплектовать устройством, позволяющим изменение длины подачи при врезании. В зависимости от исполнения длину подачи можно задать постоянной величиной или непрерывно изменять. В первом случае в течение всей фазы врезания действует постоянная подача, которая при 326
начале полного резания автоматически переключается на другую предварительно выбранную величину подачи.
В ходе непрерывного изменения движением подачи управляют с помощью шаблона. Подача непрерывно изменяется в соответствии с длиной пути врезания. В последнем случае оказывается возможным также управление подачей при окончании процесса резания.
Важным оборудованием для зубофрезерных станков обкатного типа является адаптивная система регулирования Это технологическое регулирование предельного значения имеет следующие преимущества:
сокращение производственного цикла;
J повышение стойкости инструмента;
J улучшение качества изделия;
J повышение длительной точности и надежности;
защиту станка и инструмента от внезапной перегрузки.
Известные параметры- модуль, число зубьев изделия, обрабатываемость, диаметр фрезы, количество заходов фрезы, принятый оптимум — вводят в регулятор адаптивной системы регулирования, там они обрабатываются вместе с измеряемыми величинами из процесса фрезерования, и из получаемых результатов определяются оптимальные технологические условия подачи и скорости резания.
Основным способом обработки зубьев внутренних венцов, блочных зубчатых колес с близко расположенными венцами, валов-шестерен с фланцами, нарезание которых червячными фрезами невозможно ввиду отсутствия пространства для выхода фрезы из рабочей зоны в конце обработки, является зубодолбле-ние круглыми долбя ками
Процесс зубодолбления основан на зацеплении пары зубчатых колес, одно из которых — обрабатываемое колесо, другое — круглый долбяк (шестерня), являющийся режущим инструментом. Долбяк / в процессе резания совершает возвратно-поступательное прямолинейное (для прямозубых зубчатых колес) или винтовое движение (для косозубых зубчатых колес) от специального копира и врашается, как и обрабатываемое колесо 2, вокруг своей оси, обкатывая профиль колеса (рис 8 9, а) Для обработки зубьев колеса на полную глубину долбяку в начале процесса резания сообщается радиальная подача врезания. После каждого рабочего хода обрабатываемое колесо немного отводится от долбяка для уменьшения затупления его режущих кромок. Для выхода долбяка из рабочей зоны в процессе обработки необходима канавка не менее 2 мм.
327
Рис. 8.9. Схемы нарезания зубьев круглыми долбякамн:
а — круглым долбяком, б — специальным долбяком; I — черновой сектор, II — чистовой сектор
Зубонарезание можно производить за один, два и более проходов в зависимости от модуля, числа зубьев обрабатываемого колеса, требуемой шероховатости поверхности зубьев, точности изготовления и других параметров. Под проходом понимается один полный оборот обрабатываемого колеса в процессе нарезания зубьев.
При нарезании зубьев у прямозубых зубчатых колес применяют прямозубый долбяк, у косозубых — косозубый, отличающийся от прямозубого тем, что его режущие кромки перпендикулярны углу подъема зубьев.
Зубчатые венцы с модулем 1—2 мм обычно обрабатывают круглыми долбяками за один проход, а зубчатые колеса с модулем 2,25—4 мм — за два прохода.
Однопроходное зубодолбление без радиальной подачи применяют также при нарезании закрытых зубчатых венцов с модулем 2—4 мм специальными долбяками (см. рис. 8.9, б), у которых число режущих зубьев в 2 раза больше, чем у нарезаемого зубчатого колеса. Долбяк состоит из рабочего зубчатого сектора, предназначенного для черновой 7 и-чистовой II обработок, и загрузочного сектора, свободного от режущих зубьев, для установки и съема обрабатываемой детали. Процесс однопроходного зу-бодолбления обеспечивает сокращение вспомогательного времени в 2 раза, уменьшение количества необходимых для обработки станков на 30 %, сокращение номенклатуры долбяков в 2 раза.
Для повышения производительности обработки зубчатых закрытых венцов наряду с одновременным зубодолблением двумя круглыми долбяками (рис. 8.10) применяют процесс совмещен-
328
3 1
Рнс. 8.10. Схема одновременного зубодолбления двух венцов:
1 — долбяк; 2—деталь; 3 — оправка
него зубодолбления с зубофрезерован ием двух или трех зубчатых венцов на зубофрезерных станках. В данном случае обработку производят за одну установку, при этом обеспечивается соосность обработанных зубчатых венцов.
Скорость резания при одновременном зубодолблении двумя долбяками Va составляет 49 м/мин, окружная подача инструмента И, — 0,28—0,25 мм/дв.х, радиальная подача Sp — 0,03 мм/дв.х.
Применяя высокоскоростные зубодолбежные станки с максимальным числом двойных ходов в минуту (1200—2500), обладающие повышенными жесткостью, виброустойчивостью и точностью, в сочетании с инструментом из быстрорежущей стали, содержащей молибден, ванадий и кобальт, можно обрабатывать зубчатые колеса с модулем до 6—8 мм со скоростями резания 50—60 м/мин и окружными подачами долбяка 0,5—1 мм/дв.х. Радиальная подача врезания долбяка в процессе обработки обычно находится в пределах 0,015—0,060 мм/дв.х.
Точность процесса зубодолбления зубчатых венцов соответствует 7—8-й степени точности, параметр шероховатости поверхности Rz — 20—10 мкм.
Зубодолбдением производят также обработку шевронных колес (рис. 8.11, а) на специальных горизонтальных и вертикальных зубодолбежных станках двумя спаренными косозубыми долбяками. Процесс осуществляется аналогично движеииям косозубых колес. Правый и левый долбяки работают попеременно при возвратно-постуцательном движении. Каждый из них производит обработку венца до середины: правый долбяк нарезает венец с левым направлением зуба; левый — нарезает венец с правым направлением, что создает непрерывный шевронный зуб колеса. -. .
329
а б
Рис. 8.11. Зубодолбленне шевронных н ориентированных зубчатых венцов косозубых колес:
а — шевронных зубчатых венцов; б — ориентированных зубчатых венцов с различными параметрами, / — долбяк, 2— зубчатое колесо; 1,11 — зубчатые венцы
Расширенными технологическими возможностями обладает зубодолбленне венцов цилиндрических колес на станках с ЧПУ.
На рис. 8.11, б представлена схема обработки ориентированных зубчатых венцов косозубых колес с различными параметрами. Коррекция углового смещения достигается программированием положения осей инструмента и обрабатываемого колеса. Схема обработки двухвенцового прямозубого блочного колеса за один установ показана на рис. 8.12. Нарезание зубьев верхнего венца осуществляется при перемещении долбяка сверху вниз, а нижнего — снизу вверх.
Для улучшения условий резания и характера стружкообразо-вания применяют зубодолбленне методом обката со спиральным движением инструмента с постоянной и уменьшающейся радиальной подачей на специальных зубодолбежных станках с ЧПУ.
При спиральном методе зубодолбления сход стружки и ее толщина, параметры режимов резания согласуют между собой и определяют в зависимости от материала режущей части инструмента с помощью ЭВМ. В процессе обработки инструмент за несколько оборотов зубчатого колеса при спиральном движении подачи постепенно врезается на установленную глубину зуба. По сравнению с обычным методом зубодолбления с радиальной подачей (5РВД = 0,02—0,04 мм/дв.х) и окружной подачей (З^ = - 1 мм/дв-х) (рис. 8.13, а) при обработке со спиральным движе-330
Рис. 8.12. Схема обработки двухвенцового прямозубого блочного колеса за один
! установ:
I — долбяк; 2 — зубчатое колесо, 7, II — зубчатые венцы и соответствующие им долбяки
нием инструмента (рис. 8.13, б) применяют большие подачи обката до 5обк = 10 мм/дв.х и малые радиальные подачи (5реэ = к 0,002—0,003 мм/дв.х). Для уменьшения погрешностей зубона-резания рекомендуется дополнительно сообщать один-два оборота обрабатываемому колесу без радиальной подачи врезания.
Ниже приведены сравнительные характеристики при долблении зубчатых колес (z = 21; тп = 2,25 мм; b = 17 мм; h - 6,3 мм; Р = 35°; а = 17°ЗГ; материал — сталь 30 ХГТ) обычным методом и обкаткой со спиральным движением подачи. Долбяк изготовлен из быстрорежущей стали с покрытием нитридом титана.
Зубодолбление
Параметры обычным
методом
Степень точности после зубодолбления............ 8—9
Время обработки, мин.......................... 2,85
Стойкость инструмента, мин.................. 80—120
Степень точности после шевингования............. 7—8
Припуск на толщину зуба под шевингование, мм... ' 0,1
движением подачи 7-8 1,32 250 6-7 0.06
Прогрессивным способом обработки прямозубых и косозубых зубчатых колес внешнего и внутреннего зацеплений является зуботочение обкатными резцами (рис. 8.14).
331
Рис. 8.13. Схемы зубодолбления и формы стружки.
а — обычное Зубодолбление, б — со спиральным движением инструмента, 1 — долбяк, 2 зубчатое колесо
Процесс основан на зацеплении винтовой передачи со скрещивающимися осями, состоящей из обрабатываемого зубчатого колеса 1 и обкатного резца 2, профиль режущей части которого не соответствует профилю зуба обрабатываемого зубчатого колеса. В процессе обработки обкатному резцу и нарезаемой детали сообщается вращательное движение, а обкатному резцу — допол-
Рис. 8.14. Схема зубо-точения обкатным резцом
нительно подача в направлении оси зубчатого колеса. В точке контакта режущей кромки инструмента с обрабатываемым профилем зуба возникает относительное скольжение, являющееся движением резания.
Параметры обкатных резцов для обработки зубчатых колес зуботочением (число резцов, угол их наклона \|/, наружный диаметр и др.) зависят в основном от материала, конструкции обкатных резцов, характе
332
ристик зубчатых колес и применяемого оборудования. Обработку производят на специальных зубофрезерных станках повышенной жесткости со скоростями резания Ур = 30—35 м/мин, подачей инструмента 5О = 0,20 — 0,80 мм/об. Минутная подача при зуботочении в 2,5—5 раз больше, чем при нарезании зубьев червячной фрезой. Точность процесса зуботочения ниже точности процесса зубофрезерования червячными фрезами Шероховатость поверхности зуба находится в пределах Rz ~ 40—20 мкм. Применение зуботочения вместо зубофрезерования однозаход-ными червячными фрезами позволяет повысить производительность в 2—5 раз.
Одним из универсальных способов обработки прямозубых и косозубых зубчатых колес является фрезерование дисковыми модульными фрезами. Режущие кромки зубьев инструмента в поперечном сечении повторяют форму впадины между зубьями нарезаемого зубчатого колеса.
Для данного способа обработки применяют специальные зубофрезерные станки с вертикальным и горизонтальным креплением изделия, а также универсально-фрезерные станки, имеющие механизм единичного деления Прорезание каждой впадины обрабатываемого зубчатого колеса происходит при перемещении инструмента вдоль всей длины нарезаемого зубчатого венца. В процессе обработки фреза копирует профиль своих режущих кромок. Фрезерование происходит за несколько проходов После прорезания одной впадины зубчатое колесо поворачивается на один шаг и фреза обрабатывает следующую впадину
Для нарезания зубчатых венцов во всем диапазоне чисел зубьев изгатавливают наборы дисковых зубонарезных фрез одного модуля, состоящие из 3, 8, 15 и 26 шт Набор из восьми фрез позволяет получать зубчатые колеса 9-й степени точности. Более высокая точность профиля достигается при использовании набора из 26 фрез. Шероховатость поверхности зубьев соответствует Rz — 80—20 мкм. Данный способ обработки применяют в основном в единичном производстве, а также при ремонте и для предварительного нарезания зубьев средних модулей вследствие низкой производительности из-за холостых обратных ходов обрабатываемой детали и невысокой точности процесса.
Более производительным способом обработки зубчатых венцов является контурное зубодолбленне многорезцовой головкой (рис. 8.15). *
333
Рис. 8.15. Схема контурного зубодолбления многорезцовой головкой
Многорезцовая головка состоит из корпуса в ввде диска с радиально расположенными пазами, в которых помещаются резцы с профилем, соответствующим профилю впадины обрабатываемого зубчатого колеса. Число резцов в головке соответствует числу впадин зубчатого колеса.
В процессе обработки многорезцовая головка неподвижна, а обрабатываемое зубчатое колесо 7, закрепленное на рабочем шпинделе зажимного приспособления, совершает возвратно-поступательное движение. Нарезание зубьев производится за несколько двойных ходов рабочего шпинделя. Каждый двойной ход сопровождается радиальной
подачей и отводом резцов двумя конусными кольцами 2 и 3, между которыми помещаются хвостовики резцов 4.
Перед началом каждого рабочего хода наружное конусное кольцо 3 перемещает все резцы одновременно на величину заданной подачи в радиальном направлении. На холостом ходу внутреннее конусное кольцо 2 отводит резиы от обрабатываемого зубчатого колеса для предотвращения трения задней поверхности резцов об обработанную поверхность впадины. После прорезания впадин зубчатого венца на полную глубину обработка заканчивается, и резцы быстро возвращаются в исходное положение. Максимально допустимая радиальная подача резцов 5рад = 0,50 мм/дв.х, минимальная — 0,05 мм/дв.х, что соответствует толщине срезаемого слоя на боковых поверхностях зубьев 0,015—0,020 мм. Значение скорости резания Ур = 8—12 м/мин.
По сравнению с процессом зубодолбления дисковыми долбяками процесс контурного зубодолбления в 10—12 раз производительнее. Точность процесса обработки соответствует 7—8-й степени точности, шероховатость Rz = 40—20 мкм. Данный процесс в основном применяют при предварительной обработке зубьев закрытых венцов зубчатых колес.
Наиболее производительные процессы обработки зубчатых венцов — кругодиагональное протягивание и фрезопротягивание дисковыми протяжками.
Кругодиагональная протяжка (рис. 8.16) состоит из корпуса 1, размещенного в его пазу ползуна 2, и режущих блоков 4 и 5, расположенных по ее периферии. Во время работы протяжка
334
2
Рис. 8.16. Схема кругодиагонального протягивания зубчатых колес
вращается вокруг своей оси, а ползун, кроме вращательного, совершав г возвратно-поступательное прямолинейное движение в направлении его продольной оси симметрии, проходящей через ось вращения протяжки. Это движение ползуну сообщает механизм, расположенный в шпинделе станка.
За один цикл протяжка обрабатывает полностью одну впадину между смежными зубьями колеса 3. В процессе прорезания впадины заготовка и ось инструмента неподвижны. При прохождении мимо заготовки сектора протяжки, свободного от резцов, между первым и последним резцами происходит поворот обрабатываемого зубчатого колеса на один зуб, и начинается новый цикл без прекращения вращения протяжки. Рабочие циклы следуют один за другим при непрерывном вращении протяжки до тех пор, пока не будут обработаны все зубья нарезаемого зубчатого колеса.
Кругодиагональная протяжка имеет две группы режущих блоков — для предварительной 4 и окончательной 5 обработок впадин между зубьями. Блоки, расположенные на корпусе протяжки, производят черновую обработку впадины круговым протягиванием; блоки, расположенные на ползуне, — чистовую обработку впадины кругодиагональным протягиванием. Окончательная калибровка зубьев осуществляется последним резцом протяжки.
Резцы для черновой обработки выполняют резание периферийными кромками, постепенно врезаясь во впадину зуба колеса. При этом каждый последующий резец расположен несколько выше предыдущего. Резцы для чистовой обработки исправляют седлообразный профиль.
Скорость резания при нарезании среднемодульных зубьев соответствует 25—35 м/мин; подача при черновой обработке ____ зубьев зубчатых колес из стали средней твердости 0,06—0,20 мм, при чистовой — 0,03—0,06 мм/зуб. t
335
Кругодиагональное протягивание применяют при обработке открытых венцов с модулем 3—6 мм и шириной венца до 35 мм. Точность, достигаемая в процессе обработки, соответствует 6—7-й степеням точности, Rz — 40—10 мкм. Время обработки одной впадины среднемодульного зубчатого колеса составляет 2—4 с. Производительность процесса в 2—3 раза выше, чем при зубофрезеровании червячными фрезами.
Фрезопротягиванием цилиндрических зубчатых колес (рис. 8.17) осуществляют черновую и чистовую обработки впадин между соседними зубьями за один оборот.
Фрезопротяжка представляет собой диск /, на периферии которого расположено несколько секций режущих блоков для чистовой и черновой обработок. Каждая секция выполняет определенную функцию при обработке боковых поверхностей зубьев нарезаемого зубчатого колеса. В процессе резания фрезопротяжка вращается с равномерной угловой скоростью, а обрабатываемое зубчатое колесо 2 перемещается из положения I в положение ZI, а затем, изменяя направление движения на противоположное, перемещается в положение III. После этого происходит перемещение зубчатого колеса вдоль своей оси в исходное положение /, в момент прохождения свободного от резцовых блоков сектора протяжки нарезаемое зубчатое колесо поворачивается на один зуб. После прорезания всех впадин обрабатываемое зубчатое колесо выводится из рабочей зоны.
Рис. 8.17. Схема фрезопротягивания цилиндрических зубчатых колес’
1 — инструмент, 2 — деталь, /—/// — положения детали относительно инструмента а, — сектора фрезопротяжки
336
\
При повороте протяжки на угол сч осуществляется черновое прорезание впадины между зубьями на полную глубину. Обрабатываемое зубчатое колесо в момент резания находится в неподвижном положении.
С момента функционирования режущего блока сектора а2 обрабатываемая деталь при рабочей осевой подаче перемещается в крайнее левое положение II при повороте протяжки на угол а2.
На этом завершается черновая обработка режущими блоками, осуществляющими резание способом встречного фрезерования При повороте протяжки на угол аз начинается процесс чистовой обработки предварительно прорезанных впадин. Обрабатываемое зубчатое колесо в момент резания остается неподвижным, а режущие блоки производят чистовую обработку способом фасонного протягивания
е При дальнейшем повороте протяжки на угол а4 происходит ^чистовое фрезерование впадин с попутной подачей. Обрабатываемая деталь при этом перемещается адоль своей оси в крайнее 'Правое положение, затем быстро возвращается в исходное положение I и поворачивается на один зуб при повороте протяжки на угол а5.
Фрезопротягивание может применяться для обработки прямозубых и косозубых зубчатых колес При нарезании зубьев у косозубых зубчатых колес обрабатываемая деталь кроме перемещения в процессе обработки вдоль своей оси совершает дополнительный поворот в соответствии с профилем винтовой линии. При этом ось нарезаемого зубчатого колеса располагается в 'плоскости симметрии резцовых блоков инструмента под углом наклона винтовой линии на делительном цилиндре
Значение скорости резания при протягивании стальных зубчатых колес находится в диапазоне 25—35 м/мин. Подача резцов при черновой обработке составляет около 0,2 мм/зуб, продольная подача при черновом и чистовом фрезеровании принимается • 1,5—2 мм на один резец блоков. Точность обработки зубчатых колес соответствует 7—8-й степени точности, Rz = 40—20 мкм
Накатка зубьев зубчатых колес основана на пластической деформации поверхностного слоя материала заготовки в холодном состоянии для зубчатых колес с малым модулем зуба или в нагретом—для зубчатых колес среднего и большого модулей зубьев. В процессе накатки зубья инструмента, внедряясь в заготовку, формируют впадину, а вытесненный ими металл образует головку зуба зубчатого колеса. Инструмент представляет собой 22-5935 337
зубчатые колеса с модулем зубьев, соответствующим модулю зубьев накатываемого зубчатого колеса. Материалом режущих зубьев являются хромоникелемолибденовые стали твердостью 51,5-59,0 HRC3.
Накатку зубчатых колес осуществляют в основном двумя методами: при радиальной подаче инструмента и осевой подаче заготовки или инструмента. В первом случае процесс происходит при изменении межосевого расстояния между заготовкой и двумя зубчатыми колесами инструмента, во втором — расстояние между этими осями не изменяется, а заготовки и инструмент располагаются вдоль своих осей. Для образования симметричного профиля зубьев накатка производится сначала в одном, а затем в обратном направлении с ускоренным обратным вращением.
Процесс горячей накатки осуществляют на специальных станах с предварительным подогревом ТВЧ обрабатываемой индуктором заготовки до температуры 1100—1200 °C.
При осевой подаче накатывают зубья с модулем до 4 мм и диаметром до 200 мм на длинных штангах с последующей разрезкой их на отдельные зубчатые колеса или на нескольких заготовках, скрепленных в пакет.
При радиальной подаче на отдельных заготовках накатывают зубья с модулем более 4 мм.
Для горячей накатки (рис. 8.18) при радиальной подаче заготовку 3 устанавливают между двумя стаканами 4, 7 зажимного приспособления, нагревают ТВЧ до необходимой температуры и, прокатывая между гладкими роликами 1, 6, калибруют по наружной поверхности и ширине зубчатого венца до требуемых размеров под накатку. Затем заготовка в зажатом состоянии вместе с
Рис. 8.18. Схема горячей иакатки зубьев
338
л
индуктором перемещается гидроцилиндром в положение для накатки зубьев. После вторичного прогрева заготовки производят накатку зубьев венца шестерни зубчатыми колесами 2, 5.
Форму и размеры заготовки под накатку рассчитывают и корректируют таким образом, чтобы объем металла, вытесненный из впадин, был равен объему металла для заполнения вер-!шин зубьев. При этом диаметр заготовки должен быть меньше диаметра накатанного зубчатого колеса приблизительно на величину двух модулей. Точность процесса накатки зубьев соот-гтствует 8—9-й степени точности, Rz — 80—20 мкм.
Использование процесса накатки зубьев обеспечивает повы-сение производительности, уменьшение расхода металла, со-ращение оборудования, расходов на металлорежущий инстру-ент, производственных плошадей, а также повышение прочно-пи зубьев на 15—35 % вследствие уплотнения волокон материа-1 в процессе обработки.
Наиболее распространенными и эффективными способами истовой обработки зубьев прямозубых и косозубых термически ^обработанных зубчатых колес с твердостью не более 34 HRCd вляются шевингование и холодная прикатка, а закаленных — убошлифовальная и зубохонинговальная операции
Шевингование (рис. 8.19) — наиболее распространенный и ффекгивный способ, применяемый для чистовой обработки убьев прямозубых и косозубых термически необработанных убчатых колес с твердостью не более 34 HRCq.
В процессе шевингования шевер и обрабатываемое зубчатое золесо находятся в зацеплении без зазора, представляющем со-юй винтовую передачу со скрещенными осями. Шевер — зака-[енное зубчатое колесо, на поверхности зубьев которого имеют-;я канавки. Вследствие скрещивания осей при совместном вращении шевера и обрабатываемого зубчатого колеса возникает кольжение, являющееся движением резания, при котором острые кромки канавок зубьев шевера срезают с поверхностей зубьев зубчатого колеса тонкие волосовидные стружки толщиной 1—5 мкм.
В зависимости от ширины обрабатываемого зубчатого венца существуют четыре способа шевингования: продольное, диагональное, касательное (тангенциальное) и врезное. При обработке зубчатых колес с шириной зубчатого венца свыше 50 мм применяют продольное шевингование со средней шириной (не более 50 мм) зубчатого венца — диагональное, с узким зубчатым вен-;ом (до 30 мм) — касательное, или врезное.
339
Шевингование при продольной подаче (рис. 8.20, а) обрабатываемого зубчатого колеса 1 осуществляется при возвратно-по-; ступательном движении колеса в направлении своей оси и пере- мещении его в конце каждого рабочего хода радиально на шевер ' 2 с подачей 0,025—0,040 мм/дв.х. По окончании каждого рабо-',-чего хода шевер получает вращение в обратную сторону для обработки другой стороны зуба. Последние несколько рабочих ходов совершаются без радиальной подачи. Угол у скрещивания /осей шевера и зубчатого колеса рекомендуется выбирать в пределах 5—15°. Возвратно-поступательное перемещение зубчатого ^колеса соответствует ширине зубчатого венца обрабатываемого
.колеса плюс один модуль.
’ В настоящее время при продольном шевинговании послед-'ние калибрующие ходы осуществляют при 0,05 миллиметровом •межосевом расстоянии между шевером и зубчатым колесом. Это 'позволяет устранить следы, образованные зубчиками шевера, а следовательно, уменьшить шероховатость поверхностей зубьев Обрабатываемого зубчатого колеса.
’ Для обработки используют также черновое и чистовое ше-' вингование, которое позволяет сократить до 25 % время процесса. При черновой обработке значение подачи, осуществляемой
а — с продольной подачей; б — с диагональной подачей; в — касательное шевингование; ' г— врезное шевингование
341
на первых нескольких рабочих ходах, в 1,5—2 раза выше значения подачи при чистовой обработке.
При диагональном шевинговании (см. рис. 8.20, б) движение подачи осуществляется под углом е == 20—60° относительно оси обрабатываемого зубчатого колеса. Этот вид шевингования позволяет сократить длину рабочего хода, уменьшить технологическое время обработки, повысить стойкость шевера на 50 — 80 % вследствие равномерного износа его зубьев, увеличить производительность процесса до 50 %. Диагональное шевингование также может быть черновым и чистовым.
При касательном шевинговании (см. рис. 8.20. в) движение подачи направлено перпендикулярно оси обрабатываемого зубчатого колеса. Данный вил шевингования применяют для удаления небольшого припуска на обработку при постоянном межосевом расстоянии между деталью и шевером.
Активная ширина В шевера должна быть больше ширины Ъ зубчатого венца обрабатываемого колеса, так как касательное шевингование применяют для обработки закрытых зубчатых венцов или зубчатых колес с узким зубчатым венцом. Режущие канавки на боковых поверхностях зубьев шевера располагаются по винтовой линии, что позволяет обрабатывать зубчатые колеса без продольной подачи. При касательном шевинговании режущая способность инструмента выше, чем при продольном и диагональном.
При врезном шевинговании (см. рис. 8.20, г) вместо продольной подачи инструмента вдоль оси обрабатываемого зубчатого колеса осуществляется радиальная. Для обеспечения полного охвата поверхности зубьев зубчатого колеса, так же как и при касательном шевинговании, используют шеверы с винтовым расположением режущих кромок. Рабочая часть шевера должна быть больше ширины обрабатываемого зубчатого венца. Специфической особенностью шеверов, применяемых при данном виде шевингования, является вогнутость формы их зубьев в продольном направлении для лучшего прилегания к поверхности зуба обрабатываемого зубчатого колеса. Обработка врезным шевингованием позволяет повысить производительность в 2—4 раза по сравнению с производительностью при других способах шевингования.
Бочкообразная форма зуба обрабатываемого зубчатого колеса может быть получена при качательном движении детали во время ее возвратно-поступательного перемещения относительно шевера (продольное и диагональное шевингование) или при использовании облегающего шевера, зубья которого в среднем сечении имеют вогнутый профиль (касательное и врезное шевингование).
342
h Шевингование обеспечивает повышение точности обработки [зубьев примерно на 1—2 степени точности при параметре шероховатости обработанной поверхности Ra — 2,50—1,25 мкм. Припуск на обработку зуба в зависимости от модуля колеблется в пределах 0,03—0,06 мм. Средняя окружная скорость шевера составляет 120 м/мин, продольная подача 0,15 — 0,30 мм/об, при диагональном шевинговании среднее значение продольной подачи равно 1,00 мм/об. Радиальную подачу выбирают в диапазоне 0,02—0,06 мм на ход стола. Число рабочих ходов зависит от снимаемого припуска и колеблется в пределах 6—10. Последние 2—4 хода осуществляются при отсутствии радиальной подачи для повышения точности и уменьшения шероховатости поверх-юсти зубьев обрабатываемого зубчатого колеса.
Холодную прикатку применяют для окончательной обработки оковых поверхностей зубьев незакаленных зубчатых колес вме-то шевингования. Процесс осуществляется без снятия стружки — пластическим деформированием металла специальным ин-трументом, имеющим форму цилиндрического зубчатого коле-а 4—5-й степени точности. Инструмент изготавливают из стали [арок Р18, Р6М5, Х12Ф1 и других твердостью 59—61 HRC3.
Прикатку можно осуществлять одним, двумя или тремя зубатыми накатниками. Наиболее широко в условиях массового роизводства применяют прикатку двумя зубчатыми колесами, асположенными горизонтально или вертикально. Преимущество анного способа заключается в том, что силы, создаваемые зубча-ыми колесами в процессе обработки, взаимно уравновешивают-я. Обрабатываемое зубчатое колесо устанавливают на одну оп-авку между зубчатыми колесами. Оси инструмента и зубчатого олеса параллельны. Зубчатые колеса инструмента синхронно ращаются независимо друг от друга. В процессе обработки рас-тояние между инструментом и зубчатым колесом постепенно меньшается, и при достижении беззазорного зацепления начи-[ается процесс прикатки с определенным усилием. Припуск под рикатку должен быть 0,02—0,04 мм, т. е. в 1,5—2 раза меньше, ем при шевинговании. В противном случае на боковых поверх-юстях зубьев образуются складки и местные скопления металла.
Для уменьшения усилий при обработке зубчатых колес од-[им инструментом на боковых поверхностях его зубьев наносят убчики, похожие на зубчики шевера, расположенные по винто-ой линии последовательными группами по окружности инстру-гента. В процессе обработки узкие полоски зубчиков деформи-уют отдельные участки поверхности боковых профилей зубьев 343
зубчатого колеса Такая форма зубьев инструмента позволяет уменьшить усилие прикатки на 1/3 — 1/5 по сравнению с инструментом, обладающим гладкой боковой поверхностью зубьев.
Процесс прикатки по сравнению с зубошевингованием позволяет увеличить производительность в 4—5 раз, уменьшить уровень шума зубчатых колес на 2—3 дБ, снизить значения параметра шероховатости поверхностей зубьев до Ra — 0,16 мкм, повысить твердость и износостойкость профилей зубьев. Точность обработки зубчатых колес может быть повышена на 1—2 степени Основное время обработки зубьев с модулем 2,5 мм и числом зубьев не более 35 составляет 4—8 с. Колеса, изготовленные прикаткой, в процессе термообработки вследствие более однородной структуры деформируются меньше, чем зубчатые колеса, изготовленные шевингованием.
Шлифование зубьев — один из способов, при котором достигают высокой точности зубьев закаленных зубчатых колес. По сравнению с другими способами чистовой обработки зубьев оно позволяет устранить не только неточности предварительной обработки, но и неизбежные коробления при термообработке. Существуют два способа шлифования зубьев, отличающихся методами получения профиля.
Шлифование зубьев методом обката производится непрерывно шлифовальным червячным кругом, с периодическим делением двумя шлифовальными кругами или двусторонним шлифовальным кругом При этом наибольшая производительность достигаегся при непрерывном обкате, однако наибольшая точность — при обкатке периодическим делением.
При непрерывном обкате зубья обрабатываемого зубчатого колеса находятся в зацеплении с вращающимся червячным шлифовальным кругом большего диаметра, имеющим реечный профиль (рис. 8.21, а).
Обрабатываемое зубчатое колесо 2 в процессе шлифования, вращаясь, перемешается вдоль своей оси. Шлифование зубьев происходит за несколько проходов. Скорость вращения червячного шлифовального круга 1 находится в пределах 30 — 35 м/с. Точность обработки не превышает 6-й степени. Стойкость инструмента между двумя правками профиля сохраняется при обработке около 70 деталей, а полный его износ наступает после обработки 10—15 тыс. зубчатых колес.
Шлифование зубьев методом обката с периодическим делением основано на воспроизведении зубчатого зацепления зубчатого колеса с прямобочной зубчатой рейкой, контур которой об-344
а бе
i Рис. 8.21. Схемы шлифования зубьев
в — червячным кругом, б — фасонным кругом, в — кругом глобоидной формы
разован прямобочным профилем двустороннего конического круга или плоскостями торцов двух тарельчатых шлифовальных кругов.
На рис. 8.22 приведена принципиальная схема шлифования по методу обката с периодическим делением с помощью шлифовального круга, имеющего форму усеченного конуса. Радиальное сечение этого круга имеет форму сегмента зубчатой рейки, по которому обкатывается деталь. Движение обката составляется из возвратно-вращательного движения детали вокруг ее оси и продольного движения ее центра.
Рис. 8Д2. Шлифование по методу обката с периодическим делением
345
%
При шлифовании двусторонним коническим шлифовальным кругом профиль зубьев обрабатываемого зубчатого колеса обкатывается по прямобочному профилю шлифовального круга. При этом зубчатое колесо имеет продольную подачу вдоль своей оси. В зависимости от требуемых точности и производительности стороны зуба шлифуют одновременно или поочередно. Шлифование этим методом обычно производят за два оборота обрабатываемого зубчатого колеса и применяют главным образом при изготовлении зубчатых колес с модулем зубьев более 4—5 мм.
При шлифовании двумя тарельчатыми кругами, рабочие поверхности которых расположены параллельно или под углом зацепления, каждый круг обрабатывает одну боковую поверхность зуба зубчатого колеса. Обрабатываемое зубчатое колесо совершает обкаточное и возвратно-поступательное движения. После обработки одного зуба производится автоматический поворот зубчатого колеса для обработки следующего зуба. Припуск для шлифования составляет 0,05—0,06 мм.
Применение шлифовальных полуавтоматов особо высокой точности с цикловым программным управлением позволяет осуществлять многостаночное обслуживание при финишном высокоточном шлифовании двумя тарельчатыми кругами зубьев зубчатых колес 4—5-й степеней точности при Ra = 0,16 мкм.
Метод профильного шлифования заключается в обработке боковой поверхности зуба одним фасонным кругом с эвольвенг-ным или модифицированным профилем при его продольной подаче вдоль зуба (см. рис. 8.21, б). После каждого прохода обрабатываемое зубчатое колесо автоматически поворачивается на один или несколько зубьев. Шлифование впадин производится за 3—4 дв.х. Продольная подача шлифовального круга составляет около 40 м/мин. Получение нужного профиля зуба при шлифовании во многом зависит от методов правки шлифовального круга. Для этого применяют специальные устройства и механизмы, обеспечивающие точность профиля круга, возможность его восстановления при износе.
Преимуществом профильного шлифования по сравнению со шлифованием методом обката является нвличие линейного, а не точечного контакта между кругом и обрабатываемым зубом.
Это позволяет увеличить режущую способность инструмента, сократить время обрабогки. Данный метод наиболее эффективен при обработке прямозубых зубчатых колес с большой шириной зубчатого венца. Точность обработки соответствует 5—6-й 346
степеням точности, а параметр шероховатости боковых поверхностей Ra = 1,25 мкм. Время обработки одного среднемодуиьно-го зуба составляет 6—12 с.
Принципиальное отличие при профильном шлифовании зубчатых колес от шлифования по методу обката заключается в том, что практически весь профиль зуба шлифуется за один ход круга. Качество произведенного профиля зависит в данном случае в существенной степени от точности и положения профиля шлифо-«льного круга. Конструкция шлифовального станка упрощается, як как, кроме деления, зубчатому колесу необходимо сообщать ля получения наклона зуба только лишь необходимое винтовое жжение.
Особые трудности испытывают при профилировании шлифо-ального круга для обработки косозубых шестерен. Профиль шлифовального круга отличается от формы нормального сечения уба, так как линия контакта между представляющим неравномер-ую обкатываемую поверхность зубом и образуемым шлифоваль-1ым кругом ротационным телом представляет собой объемную ривую (рис. 8.23).
Профильное шлифование целесообразно применять при вы-оких требованиях к обработке, а также в сочетании с методами юлучения заготовок зубчатых колес пластическим деформиро-анием для сокращения оборудования. Наиболее эффективным пособом обработки закаленных зубчатых колес является шлифование непрерывной профильной обкаткой абразивным червя-
\—^А А—В
Рис. 8.23. Линия контакта между поверхностью зуба И шлифовальным кругом
347
ком 1 с наружным контуром глобоидной формы, который охватывает обрабатываемое колесо 2 на определенной части окружности (см. рнс. 8.21, в). Шлифование боковых профилей и впадины зуба колеса осуществляется одновременно с обеспечением плавного перехода от ножки зуба к впадине. Непрерывность процесса обработки обеспечивает высокую точность по шагу и радиальному биению обрабатываемых зубчатых колес. Время шлифования составляет 1—3 с в зависимости от числа заходов абразивного червяка. Профилирование абразивных червяков осуществляется автоматически в течение 2—3 с после обработки 20—25 деталей инструментом с алмазным покрытием, размеры которого близки к размерам обрабатываемых зубчатых колес. Таким образом учитывается профильная и продольная модификации зуба колеса для получения требуемого пятна контакта.
Широкое применение при данном виде обработки находят шлифовальные круги из эльбора (кубического нитрида бора), не требующие правки и обладающие высокой износостойкостью и точностью. Изношенный шлифовальный круг восстанавливают заменой старого покрытия новым путем нанесения однослойного покрытия из эльбора на профильную часть закаленного стального корпуса круга.
Хонингование зубьев применяют для чистовой обработки зубьев закаленных прямозубых и косозубых зубчатых колес. В процессе хонингования обрабатываемое зубчатое колесо, введенное в плотное зацепление с абразивным зубчатым хоном, выполненным в виде цилиндрического зубчатого колеса, вращается и совершает возвратно-поступательное перемещение. Направление вращения хона меняется на каждом рабочем ходу стола. Угол скрещивания осей инструмента и обрабатываемого зубчатого колеса принимается в пределах 10—15°. Хонингование зубьев применяют главным образом для уменьшения величины шероховатости поверхности до Ra — 0,32—1,25 мкм, удаления забоин и заусенцев до 0,25 мм с боковых поверхностей зубьев закаленных зубчатых колес, обработанных шевингованием, снижения уровня шума на 2—4 дБ. Помимо уменьшения уровня шума обеспечивается снижение нагруженности зубьев на 15—20 %, что позволяет повысить их долговечность примерно в 1,5 раза. В процессе хонингования с обрабатываемых поверхностей зубьев удаляется слой металла около 0,01—0,03 мм. Специальный припуск для хонинговальной операции не назначается.
348
Хонингование можно осуществлять двумя методами — с ра-адльным нагружением при беззазорном зацеплении хона и обкатываемого зубчатого колеса и с окружным нагружением, ко-на хон и зубчатое колесо имеют боковой зазор при постоянном ежосевом расстоянии. Наибольшее распространение в автомо-илестроении получил первый метод.
Зубчатый хон изготавливают с тем же модулем зубьев, что и брабатываемое зубчатое колесо, но большего диаметра. Диаметр хона выбирают в пределах 220—250 мм при активной ши-ине венца 25 мм. Число зубьев хона не должно быть кратным числу зубьев обрабатываемого зубчатого колеса. Хонингование зубьев осуществляют хонами на эпоксидной основе и хонами, изготовленными на стальной основе с гальваническим покрытием зубьев влмазными и другими порошками. Процесс хонингования осуществляется с частотой вращения хона 180—200 мин"1, продольной подачей 25—150 мм/мин при числе рабочих ходов стола 4—6. Среднее время хонингования одного зубчатого колеса составляет 30— 60 с. Параметр шероховатости обработанных поверхностей зубьев находится в пределах Ra = 1,25—0,32 мкм. Число обрабатываемых деталей — 1,5—3 тыс.
Для облегчения зацепления и увеличения долговечности торнам зубьев переключаемых зубчатых колес придается определенная форма. Наибольшее распространение получили сферо-идвльная и остроугольная формы.
Закругление торцов зубьев можно производить пальцевой, чашечной, торцовой, дисковой фасонными фрезами и др.
В процессе закругления торцов пальцевой фрезой (рис. 8.24, а) обрабатываемое зубчатое колесо 1 непрерывно вращается, а инструмент 2, кроме вращения, получает дополнительную возможность синхронного перемещения вдоль зуба вверх и вниз по специальному копиру, профиль которого соответствует закругленной форме. За один оборот копира закругляется профиль одного зуба. Торцы зубьев с модулем до 3 мм закругляют за один проход, с модулем более 3 мм — за два прохода и более. Частота вращения фрезы — 780—1500 мин4; время обработки одного торца зуба — 1—3 с.
Более эффективным методом закругления зубьев является обработка с помощью фасонных чашечных двух- и трехзубых фрез (см. рис. 8.24, 6). Чашечные фрезы снимают металл внутренними криволинейными или прямолинейными режущими кромками.
349
Рис. 8.24. Схемы закругления и снятия фасок на торцах зубьев.
а — пальцевой фрезой, б — фасонной чашечной фрезой, в — одновитковой фрезой, г, д — специальным инструментом, е, ж — формы закругления
В процессе обработки вращающаяся фреза 2, установленная под углом к обрабатываемому зубчатому колесу 1 (неподвижному), совершает возвратно-поступательные перемещения вдоль своей оси. После обработки одного зуба зубчатое колесо автоматически поворачивается на один зуб, затем цикл обработки повторяется Время закругления чашечной фрезой зубьев с модулем т = 3 мм и числом зубьев зубчатого колеса z ~ 18 за два прохода составляет 14 с.
350
Снятие фасок и заусенцев с острых кромок торцов зубьев чаще всего производят двумя одновитковыми многозубыми фре-рзми (см. рис. 8.24, в) на специальном станке методом непрерывного деления. Фрезы имеют различные осевые шаги, направле-иие винтовой линии и углы рабочего профиля зуба При обработке зубчатое колесо 1 и фрезы 2 вращаются синхронно. За один борот инструмента зубчатое колесо поворачивается на один зуб осле окончания процесса обработки фрезы отводятся в исходное положение для съема и установки детали Время обработки зубьев с модулем т — 3,50 мм и числом зубьев z = 43 составляет 13 с. Обработку торцов и снятие с них фасок и заусенцев производят до отделки зубьев. Для повышения производительности при снятии фасок с одновременным удалением заусенцев с зубьев одновенцовых и блочных цилиндрических колес применяют зубофасочные автоматы, которые могут использоваться в автоматических линиях. На рис. 8.24, г показана схема такой обработки торцов зубчатого венца 1 инструментом, состоящим из центрального ведущего колеса 2 и боковых режущих колес 3 и 4, прикрепленных к ведущему колесу. Ширина ведущего колеса 2 меньше ширины венца обрабатываемого колеса 1 на двойную заданную ширину фаски (см. рис. 8.24, д). В процессе обкатывания в беззазорном зацеплении боковые режущие колеса 3 и 4 торцовыми поверхностями своих зубьев и скосами на них, образующими режущие кромки, срезают тонкие стружки с торцовой поверхности обрабатываемого колеса, образуя фаски на зубьях. Фаски могут быть выполнены в виде запятой (см. рис. 8.24, е) без обработки впадины для косозубых колес и по всему контуру (см. рис. 8.24, ж) профиля зуба с обработкой впадины для прямозубых колес. Заусенцы, возникающие в процессе резания на торцах зубьев, срезаю гея одновременно двумя подпружиненными резцами, установленными с противоположной стороны инструмента для сня-1ия фасок, с твердосплавными пластинами. Время обработки на станке с автоматическим циклом работы составляет 10—20 с. Обработку торцов зубьев и снятие с них фасок и заусенцев производят до отделки зубьев.
^.6. Особенности обработки многовенцовых Зубчатых колес
В Блоки зубчатых колес, применяемые в коробках передач ав-В: мобилей, выполняют в виде зубчатых колес-валов (входные и Вромежуточные валы) и с центральными внутренними обрабатываемыми отверстиями (блок зубчатых колес заднего хода)
351
Технологический процесс механической обработки зубчатых колес-валов не отличается от обработки ступенчатых валов. Обработку блоков зубчатых колес, имеющих внутренние полости, начинают с фрезерования торцов и протягивания, сверления, зенкерования центрального отверстия. В дальнейшем осуществляют токарную обработку по контуру на гидрокопировальных станках с базированием по отверстию или центровым фаскам.
Зубья зубчатых венцов обрабатывают на зубофрезерных и зубодолбежных станках (если расстояние между зубчатыми венцами не позволяет применить зубофрезерование и если модуль т < 2,5 мм).
На рис. 8.25 показана производственная линия с гибким межоперационным транспортом для обработки блок-шестерни коробки перемены передач легкового автомобиля. На показанном производственном участке выполняют с помощью шести зубофрезерных и шести зубодолбежных станков обкатного типа пяти различных операций. Между станками установлены по одному элеватору с последующим спиральным накопителем.
Приспособление для закрепления блоков зубчатых колес на зубодолбежных станках в условиях массового производства приведено на рис. 8.26. Центрирование зубчатого колеса 3 осуществляется по центральному отверстию двумя пальцами 2 и 4.
Нижний палец 4 жестко закреплен в планшайбе 5 трехкулачкового патрона 8. Верхний палец 2 свободно вращается в
Зубо- Зубофре-
Рис. 8.25. Автоматическая линия, соединенная межоперационным транспортом, для обработки блок-шестерни коробки передач легкового автомобиля '
352
₽ Рис. 8.26. Приспособление для закрепления блоков зубчатых колес на зубодол-Г бежном станке
гЫариковой втулке 1 поддерживающего кронштейна. Для пере-В'дачи крутящего момента блоку зубчатых колес последний зажимается кулачками 8 трехкулачкового патрона, связанными с тягой 7 гидроцилиндра. Для равномерного зажима детали всеми кулачками тяга 7 действует на рычаги кулачков 8 через шариковую опору 6.
В качестве примера рассмотрен технологический процесс об-t работки блока зубчатых колес заднего хода коробки передач лег- кового автомобиля. Блок шестерен промежуточного вала изго-тавливают из горячекатаной нитроцементируемой прутковой Кз-5935 зя
стали 19ХГН диаметром 80 мм методом горячей штамповки на прессах усилием 20 кН в три перехода с последующим изотермическим отжигом до твердости 115—150 НВ и очисткой заготовок от окалины стальной дробью. Припуски на механическую обработку по наружным поверхностям.-^ в пределах 2,5—3,6 мм. Токарная обработка, зубонарезание и шевингование зубчатых колес до термообработки производят на трех участках в автоматических линиях с гибкой связью, а после термообработки — на отдельном участке автоматизированной линии. Подрезание торцов, центрование, сверление и нарезание резьбы, а также токарную обработку поверхностей осуществляют на автоматических линиях, состоящих из агрегатных станков с поворотным столом и токарных гидрокопировальных станков, с шлифованием шеек под подшипники на четырехкруговых шлифовальных станках с автоматической загрузкой деталей.
Зубья венцов обрабатывают на автоматических линиях, состоящих из зубодолбежных и зубофрезерных станков. Режим работы на зубофрезерных станках: скорость резания 74 м/мин, подача 48 мм/мин; на зубодолбежных: скорость резания 20 м/мин, подача (окружная) 170 мм/мин. После снятия заусенцев и образования фасок на станках специальными дисковыми роликами детали передают на автоматические линии для шевингования зубьев венцов Режим работы станков на этом участке: скорость резания шевера 120 м/мин, продольная подача 114 мм/мин.
Зубья обрабатывают за три двойных хода. В процессе шевингования оператор выборочно по приборам проверяет погрешность соседних окружных шагов, эвольвенту (радиальное биение), направление спирали и соответствие размеров нормам. Транспортирование деталей от одной автоматической линии к другой осуществляют подвесным круговым конвейером.
Точность изготовления зубчатых венцов блока зубчатых колес указана в табл. 8.6.
Таблица86 Параметры точности зубчатых венцов после фрезерования и шевингования
Контролируемый параметр Точность, мм
после зубофреэерования после шевингования
Разность окружных шагов 0,025 0,015
Погрешности профиля 0,050 0,015
направления спирали 0,030 0,020
Радиальное биение венца 0,060 0,050
354
После шевингования зубчатых венцов детали поступают на автоматическую моечную машину и далее на термообработку, где производят нитроцементацию на глубину О,5ОО+0’200 мм и закалку до твердости 59—63 HRC3.
После термообработки шлифуют центры и правят (при необходимости) детали на прессах. Далее передают на автоматическую линию, состоящую из четырех шлифовальных станков, для кон нательного шлифования посадочных диаметров и опорных орцов подшипников и зубчатых колес заднего хода. Режим ра-оты: скорость резания 20 м/с, радиальная подача 0,302 мм/мин. очность обработки диаметров 0,021 мм.
Контроль, подбор зубчатых венцов блока с парными зубча-ыми колесами и зачистку забоин на зубьях производят на отельном участке, где смонтировано 33 станка.
Одновременное нарезание трех зубчатых венцов колеса-вала вух типов на автоматической линии, состоящей из трех участ-ов I, II, III, представлено на рис. 8.27.
Участок / (рис. 8.27, б) предназначен для обработки среднего убчатого венца 1 (рис. 8.27, а) на зубодолбежных автоматах, часток II — для зубодолбления верхнего косозубого венца. На частке III осуществляют нарезание косозубого венца 3 червяч-юй фрезой на зубофрезерных автоматах. Время обработки каж-ого венца примерно одинаково. Перемещение колес-валов при убообработке осуществляют по наклонным направляющим с етырьмя, расположенными на разных уровнях полосами, для озможности использования каждого станка-автомата независи-ю друг от друга. Для обработки разных венцов два распредели-
а б
8.27. Обработка зубчатых венцов колеса-вала Двух типов на автоматической линии
а — обрабатываемая деталь, б — схема автоматической линии
355
тельных устройства обеспечивают подъем колес-валов на ту направляющую полосу, которая соответствует операции на требуемом автомате линии. Для обеспечения заполнения зон накопления перед станками и распределительными устройствами на направляющих полосах установлены специальные упоры. На первый участок автоматической линии, предназначенный для нарезания среднего прямозубого венца, детали подаются без сортировки их на типоразмеры под действием силы тяжести по верхней и нижней полосам направляющей 1 к четырем зубодолбежным станкам-автоматам 2. После завершения операции детали перемещаются к сортировочно-распределительному устройству 4. После автоматической сортировки по размерам и числу зубьев детали, нарезанные на автоматах участка Z, перемещаются к зубодолбежным автоматам 3 участка II. Для обработки зубьев нижнего венца детали через второе распределительное устройство 4 поступают на зубофрезерные автоматы 5 участка III После обработки всех зубчатых венцов детали колес-валов передаются на дальнейшую обработку. Манипуляторы 6 частка / автоматической линии предназначены для передачи деталей с направляющих полос в зону загрузки зубодолбежных автоматов, а манипуляторы 7для передачи в специальное подающее устройство 8 в виде поворотного стола, обеспечивающего установку деталей в зажимное приспособление зубофрезерных автоматов участка ///.
8.7. Автоматизация обработки зубчатых колес
Характерный технологический процесс полной обработки на комплексной автоматической линии зубчатых колес двух наименований планетарной передачи легкового автомобиля приведен на рис. 8.28.
На линии применен гравитационный транспорт — на первом участке линии до операции зубонарезания детали катятся по плоскости лотка, на втором — после зубонарезания — торцовой поверхностью по роликам. На первом участке зубчатые колеса из накопителя Н1 с помощью гравитационной системы Тр подаются к трем токарным автоматам С1 и после 100 %-го контроля основных параметров обработки (биения базового торца, размера отверстия и внешнего диаметра) на приборах контроля К1 через накопитель Н2 направляются на второй участок линии. 356
KI
8.28. Технологический процесс полной обработки на комплексной автоматической линии
На последующих двух параллельно работающих станках-ав-омагах С2 производится зубофрезерование зубьев колес. Прой-Я 100 %-й автоматический контроль на приборах К2, по вели-ине припуска, оставленного под шевингование зубьев, погреш-юсти колебания межцентрового расстояния и направления уба, годные зубчатые колеса поступают на автомат СЗ для сня-ия фасок и заусенцев с острых кромок зубьев одновременно с беих сторон. Далее зубчатые колеса из накопителя НЗ через юечную машину Ml попадают на операцию шевингования [рофиля зубьев, осуществляемую на двух зубошевинговальных танках С4. Пройдя термическую обработку в установке ТУ, за-аленные зубчатые колеса подвергают притирке торцов на стане-автомате С5 с последующим автоматическим контролем зубатого зацепления и сортировкой их на установке КЗ.
После хонингования отверстия на многошпиндельном авто-аге С6 зубчатые колеса поступают на операцию холодного рикатывания на станке С7. Прикатывание осуществляется тре-я специальными прикатными зубчатыми колесами с зубьями азличной формы. Два прикатных колеса обрабатывают профиль зуба колеса в разных зонах (один ближе к ножке, другой — головке зуба), а третье — в зоне фаски вершины зуба.
357
Перед окончательным контролем прикатанные зубчатые колеса промывают в моечной машине М2 и через накопитель НЗ подают в прибор К4 для контроля параллельности торцов после притирки. После окончательного автоматического контроля в устройстве К5 и сортировки в зависимости от наличия брака обработанные зубчатые колеса направляются в соответствующие желоба приемного устройства ПУ. Все измерительные устройства и контрольные приборы автоматической линии составляют единую систему, управляемую от ЭВМ. Данные контроля высвечиваются на экране ЭК. Производительность автоматической линии при 80 %-й загрузке составляет 680 шт./ч.
На рис. 8.29 представлена схема автоматической линии зубофрезерования одновенцового зубчатого колеса (z = 35, m „ = 4 мм, Ъ = 26,5 мм, р = 22° 10'51") коробки передач грузового автомобиля.
Автоматическая линия состоит из трех специальных зубофрезерных станков, транспортной системы и двухпоточной моечной машины. Детали, поступающие с токарно-хонинговальной автоматической линии, через моечную машину Z по лотку через отсекатель 2 подаются в подъемник 3, а затем перемещаются в подъ-емно-раздающее устройство 4. Подъемно-раздающее устройство 4 и 10 через отсекатель 2 обеспечивают передачу деталей 5 по лотку скольжения в накопитель каждого из трех зубофрезерных автоматов 9, 11 и 12. Накопитель 6, соединяя по две детали в пакет, направляет их на операцию зубофрезерования. Зубонарезание производится в автоматическом цикле двухзаходной червячной фрезой из стали Р9К10 за один рабочий ход со скоростью Vv — 60 м/мин и подачей 2,28 мм/об. После цикла зубофрезерования зубчатые колеса поочередно через кантователи 7 и 8 с зубофрезерных автоматов поступают на ленточный конвейер 17 с приводом 13, а затем через подъемно-раздающее устройство 14, отсекатель 2 попадают в накопитель 15 и в моечную машину 16. После мойки зубчатые колеса направляются на операцию шевингования.
4 9 2 w п
Рис, 8.29. Зубофрезерование на автоматической линии одновенцового зубчатого , , колеса
358
Контроль параметров зубьев обработанных колес осуществляют выборочно за пределами автоматической линии. Производительность линии составляет 39 шт./ч при коэффициенте загрузки 0,75.
На рис. 8.30 представлена технологическая линия, состоящая из магазина изделий /, зубофрезерного станка 5, с встроенным механизмом загрузки изделий 2, и зубодолбежного станка 5, соединенных манипулятором 4.
На рис. 8.31 приведена компоновка комплексной автоматической линии для обработки двухвенцовых шестерен.
На этой линии можно производить токарную обработку деталей от 250 до 400 мм. Участок состоит из двенадцати одношпиндельных токарных автоматов, обрабатывающих детали на двух автоматических линиях, работающих независимо друг от друга, вследствие чего на них обрабатывают различные изделия.
Обработку осуществляют за два установа. Автоматический двухзахватный питатель 2 обслуживает три токарных станка. Он берет деталь с участка 1 подачи заготовок и передает ее на зажим токарного станка 3, с которого второй рукой снимает обработанную деталь. Обработанная деталь передается на поворотный стол 4. Этот процесс повторяется и для двух других токарных станков, что обеспечивает полную загрузку портального питателя.
Рис. 8.30. Технологическая линия
359
Рис. 8.31. Комплексная автоматическая линия для обработки двухвенцовых шестерен
Второй портальный питатель 5 берет деталь с поворотного стола 4 после ее поворота на 180° и предает ее последующим трем токарным стендам для обработки второй стороны детали. После обработки детали передают на измерительную позицию 6, где деталь измеряется и по необходимости передаются команды на переналадку соответствующего станка. На столе 7 деталь поворачивается, по транспортеру 8 отводятся бракованные детали, а по транспортеру 9 — годные.
8.8. Контроль зубчатых колес
Высокое качество зубчатых колес достигается при их систематическом контроле на протяжении всего технологического процесса изготовления. Важнейшими поверхностями зубчатых колес являются базовые поверхности и зубчатый венеи. Высокие требования к точности геометрических размеров, форме деталей и шероховатости поверхностей предопределяют следующие виды технологического контроля зубчатых колес:
операционный контроль, осуществляемый наладчиками и рабочими непосредственно на рабочих местах в течение смены, после смены инструмента и наладки станка;
360
J межоперационный выборочный контроль, выполняемый работниками ОТК на специально отведенных контрольных постах, в объеме 3 — 20 % выпуска;
J окончательный контроль, производимый работниками ОТК перед отправкой деталей в термический цех или на сборку.
Контроль основных параметров зубьев зубчатых колес производят в измерительных лабораториях после смены инструмента или наладки станка. Для каждой степени точности зубчатых колес установлены нормы кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев в передаче, а также допуски на боковой зазор в сопряжении. Для контроля зубчатых колес завод-изготовитель может выбирать любое комбинирование норм исходя из условий работы передачи, требуемой точности измерительных средств, размеров зубчатых колес. Типовые погрешности цилиндрических зубчатых колес указаны на рис. 8.32.
Расположение пятна контакта в зацеплении показано на рис. 8.33.
Рис. 8.32. Типовые погрешности цилиндрических зубчатых колес
Рис. 8.33. Расположение пятна контакта. а — правильное, б — неправильное
361
Схема автомата для двухпрофильного контроля цилиндрических зубчатых колес после их окончательной обработки приведена на рис. 8.34.
Проверяемое зубчатое колесо 2, попадая в зону измерения с наклонного подволяшего лотка через отсекатель 7 поштучно, находится в плотном двухпрофильном зацеплении с измерительным колесом 3 под действием пневмоцилиндра 12. Результаты измерения анализируются электронной системой 5 и сравниваются с допустимыми значениями, после чего дается сигнал в сортировочное устройство 1 о годных и бракованных зубчатых колесах. При выходе фактических размеров за пределы допуска зажигается лампа 4. Допуск на размер показывается на экране 6. Для наглядного анализа протекания технологического процесса предусмотрена регистрация общего количества проверенных зубчатых колес экраном 8, а бракованных — экраном 9 с выводом данных на пульт 13. После измерения зубчатые колеса по наклонному отводящему лотку 14 направляются в сортировочное устройство 1, в котором годные колеса перемещаются по лотку 20, а зубчатые колеса с выявленными дефектами соответственно по лотку 19 — на доработку, лотку 18— с забоинами, лотку 17 — с повышенным биением, лоткам 15, 16— с отклонениями межосевых расстояний. Специальное устройство 11 с тремя обкаточными колесами 10 предназначено для удаления небольших заусенцев.
Рис. 8.34. Схема автомата для лвухпрофильного контрам цилиндрических зубчатых колес
362
Перспективным на заводах массового производства является применение для контроля цилиндрических зубчатых колес автоматических линий. Одна из них показана на рис. 8.35. Линия состоит из трех измерительных приборов. На первом (прибор 9) контролируют колебание межосевого расстояния в плотном двухпрофильном зацеплении измерительного и проверяемого зубчатого колеса при повороте его на один оборот и иа одном зубе: на втором (прибор 14) — кинематическую погрешность при номинальном межосевом расстоянии и при однопрофильном зацеплении проверяемого и измерительного зубчатых колес.
Контроль формы и расположения пятна контакта на зубьях при зацеплении со специальным измерительным колесом осуществляется на третьем приборе 19. Зубчатые колеса по конвейеру 1 поступают в моечный агрегат 2 и обкатное устройство 3 с тремя зубчатыми колесами для снятия забоин и заусенцев. Затем зубчатые колеса поштучно через отсекатель 4 поступают на толкатель 5, который перемещает их в захват 6 робота 7. После поворота захвата с деталью на 90° деталь перемещается в прибор 9для измерения колебания межосевого расстояния. После измерения захват 8 устанавливает зубчатое колесо в накопитель 10, откуда с помощью аналогичных манипуляций робота 12 с захватами 11 и 13, накопителя 15, робота 17 с захватами 16 и 18 зубчатое колесо устанавливается на прибор 14 для контроля кинематической точности при однопрофильном зацеплении и на прибор 19 для проверки пятна контакта на экране телевизора.
Проверенные зубчатые колеса захватом J# передаются в сортировочное устройство 20 с наклонными желобами, где колеса разделяются на годные и бракованные. Все три прибора управляются
Рис. 8.35. Схема автоматической линии для контроля зубчатых колес
363
одним миникомпьютером, с помощью которого осуществляются измерение, сортировка и анализ полученной информации. Время контроля, включая время на установку и снятие зубчатого колеса, 30 с.
Вопросы для самопроверки
1 Каковы основные виды цилиндрических зубчатых колес9
2 В чем заключаются особенности обработки составных цилиндрических колес7
3 Каковы основные технологические операции обработки цилиндрических зубчатых колес7
4 В чем особенности обработки многовенцовых зубчатых колес7
5 Как осуществляют контроль формы и расположения пятна контакта на зубьях7
6 В каких случаях применяют шевингование зубьев зубчатых колес7
7 В чем заключается процесс диагонального зубофрезерования7
8 Какова сущность процесса зуботочения обкатными резцами7
9 В чем отличие процесса кругодиагонального протягивания от фрезо-протягивания цилиндрических зубчатых колес7
10 Что представляет собой операция горячей накатки, в чем заключаются ее особенности7
11 . Какова суть методов шевингования зубчатых колес?
Глава 9 Обработка корпусных деталей
9.1. Общие требования, предъявляемые к заготовкам
' Корпусные детали в большинстве случаев являются базовыми деталями, на которые монтируются отдельные сборочные единицы К ним относят корпуса коробок передач, редукторов, блоки цилиндров, картеров и др. Для корпусных деталей характерно наличие точно обработанных отверстий, координированных между собой относительно базовых поверхностей. Материалом для изготовления корпусных деталей служит серый чугун марок СЧ24-44; СЧ15-32; КЧ35-10 или алюминиевый сплав марок АЛ4, АЛ6, АЛ9.
Корпусные детали ввиду их конструктивной сложности, как правило, изготавливают в виде отливок литьем в песчаные, металлические формы или литьем под давлением. Отливки должны быть плотными, обеспечивающими герметичность корпуса. Твердость отливок из серого чугуна необходима в пределах НВ 160—240, для отливок из алюминиевых сплавов 50—70 НВ (табл. 9 1)
Табл и и а 9 1 Методы получения заготовок некоторых типовых деталей двигателя и их характеристики
Заготовка Метод литья Материал Твердость НВ Коэффициент использования металла
Блок цилиндров двигателя В песчаные формы Под давлением Чугун СЧ15 СЧ20 СЧ25 Алюминиевый сплав АЛ4 163—229 170—240 187—255 70 0,79-0,86
Головка цилиндров В металлические формы Алюминиевый сплав АЛ 5 АЛ 9 70 50-60 0,9
Картер коробки передач В песчаные формы Под давлением Чугун СЧ20 Алюминиевый сплав 170-240 0,76—0,87
365
Продолжение табл 91
Заготовка Метод литья Материал Твердость НВ Коэффициент использования металла
АЛ 4 АК12М2 70
Крышка коренных подшипников В песчаные формы Чугун- СЧ 25 СЧ15 187-255 163-229 0,79-0,86
Стабильность размеров заготовок, физико-механических свойств материала и припусков существенно влияет не только на последовательность выполнения всех операций механической обработки, но и качество обрабатываемых поверхностей и конечную точность размеров детали. Особые требования предъявляют к точности размеров, качеству материалов и взаимному пространственному расположению поверхностей заготовок, являющихся установочными базами на операциях обработки основных поверхностей. Недопустимы на этих поверхностях размещение литников, наличие прибыли, плоскостей разъема литейных форм и штампов, а также окалины, заусенцев, раковин и пригоревших остатков формовочной смеси. Значительные литейные пороки на поверхностях отливок могут существенно повлиять на установку деталей и работоспособность автоматической линии.
К твердости поверхностей заготовок, обрабатываемых с невысокой степенью точности, также предъявляют значительно жесткие требования. Так, например, для получения при обработке отверстий 7—-8-го квалитетов в головках цилиндров, изготовленных из серого чугуна, твердость заготовок не должна превышать 200 НВ. Не допускаются значительные отклонения припусков на поверхностях, подлежащих обработке, так как это снижает точность и уменьшает стойкость режущих инструментов.
При обработке корпусных деталей должны быть обеспечены в установленных пределах параллельность и перпендикулярность осей основных отверстий друг другу и к базовым поверхностям; соосность этих отверстий; заданные межосевые расстояния; точность диаметров и правильность геометрической формы; прямолинейность поверхностей.
Основные отверстия под подшипники выполняют по 8—7-му квалитетам с шероховатостью Ra — 2,5—0,25 мкм. Несоосность 366
отверстий допускается в пределах половины допуска на диаметр .меньшего отверстия, а их конусообразность и овальность — не более 0,3—0,5 поля допуска на диаметр. Допуски на межосевые : расстояния для цилиндрических зубчатых передач с межцентровым расстоянием 50—800 мм рекомендуется по ГОСТу от + 25 -До + 280 мкм. Межосевой угол конических передач выдерживают оз + 18 до + 210 мкм на длине образующей делительного конуса 50—800 мм. Отклонение межосевого расстояния червячных .передач при 7, 8 и 9-й степенях точности и межцентровом расстоянии 40 — 630 мм составляет +30—210 мкм; непараллель-ность осей отверстий — 0,02 — 0,05 мм на 100 мм длины. Поверхности прилегания обрабатывают с шероховатостью Ra = = 6,3—0,63 мкм, а их отклонения от прямолинейности допускают 0,05—0,2 мм на всей длине. К поверхностям скольжения предъявляют более высокие требования: шероховатость Ra — — 1,0—0,2 мкм, неплоскостность 0,05 мм на 1 м. Неперпендику-лярность торцовых поверхностей к осям отверстий допускают в пределах 0,01—0,1 мм на 100 мм радиуса.
У разъемных корпусов несовпадение осей отверстий с плоскостью разъема допускается не более 0,2 мм.
*9.2. Особенности обработки корпусных деталей t
Выбор технологических баз является весьма ответственным этапом при разработке технологического процесса обработки корпусных деталей. Как правило, за опорно-установочные базы принимают такие поверхности детали, относительно которых задано и наиболее строго ориентировано положение большинства других поверхностей. Для достижения с заданной точностью требуемых размерных связей поверхностей деталей следует использовать именно эти поверхности в качестве технологических баз, выдерживая принцип постоянства и совмещения баз. Как правило, такие поверхности являются конструкторскими базами.
Наиболее надежными простыми технологическими базами ' при обработке корпусных деталей являются одна из плоскостей наибольшей протяженности и два точных отверстия, расположенных по диагонали, на этой плоскости, возможно, дальше удаленные друг от друга. Плоскость с двумя точными отверстиями на ней обеспечивает точное ориентирование детали на спутнике.
На рис. 9.1 представлено базирование корпусной детали по данной схеме. Деталь 3 устанавливают по плоскости и ориентируют на
367
Рис. 9.1. Схема установки корпусной детали
два подпружиненных пальца: один цилиндрический 1, второй ромбический 2. Ромбический фиксатор применяют для компенсации допустимых отклонений размера между осями отверстий обрабатываемой детали и зазоров между отверстиями и фиксаторами.
Такую схему базирования широко применяют при обработке корпусных деталей при установке и закреплении их в приспособлениях-спутниках. В зависимости от количества одновременно устанавливаемых деталей приспособления-спутники подразделяют на одноместные и многоместные.
На рис. 9.2 приведена схема установки и крепления детали в 4-позиционном спутнике при ее обработке на станке. Как видно из схемы, деталь базируется по плоскости и на два базовых отверстия. Установку и закрепление деталей, а также их освобождение и удаление из приспособления-спутника после завершения обработки можно производить вручную или с помощью специальных автоматических устройств на загрузочно-разгрузочной позиции.
Рис. 9.2. Схема установки и крепления детали в приспособлении при обработке иа станке ИР500МФ4:
1 — спутник; 2— деталь; 3 —цилиндрический палец; 4— ромбический палец;
5 — прижим
368
Для координации базовых поверхностей корпусных деталей сложной формы с большим числом ответственных поверхностей .(например, блока цилиндров двигателя) используют часто оси и плоскости симметрии ребер и приливов (рис. 9.3, а) или специальные базовые платики, расположение которых относительно осей отливки обеспечивается при получении заготовок (см. рис. 9.3, б — размеры В и Г).
У корпусных деталей средних размеров (типа картеров коробок передач), имеющих большие полости и литые основные отверстия, координацию баз осуществляют через оси имеющихся литых отверстий (см. рис. 9.3, в, размеры Ди Еи рис. 9.3, г, размеры Ж, 3). Координацию осей базовых отверстий корпусных деталей без больших литых отверстий и внутренних поверхностей рекомендуется производить по наиболее характерным поверхностям или осевым линиям ответственных отверстий. Так, например, у головки блока для координации осей двух базовых отверстий используют оси отверстий под седла клапанов (см. рис. 9.3, д, размеры И и К и рис. 9.3, е, размер Л).
Характерные основные технологические базовые поверхности некоторых типовых корпусных деталей двигателя, обрабатываемых на автоматических линиях, приведены в табл. 9.2; расположение баз показано на рис. 9.3.
Piic. 9.3. Расположение основных технологических базовых поверхностей относительно черновых:
прописные буквы — расположение дополнительных баз относительно основных; строчные — взаимное расположение дополнительных баз
24-5935
369
Таблица92 Характеристики корпусных деталей двигателей
Деталь Автомобиль Поверхность Базовые отверстия
Размеры, мм Отклонение от плоскостности, мм Шероховатость мкм Диаметр, мм Допуск, мм Межосевое расстояние, мм
Блок пичинаров ЗИЛ-431410 645x290 0,150 2,500 16 1-0,027 575 ±0,030
ГАЗ-66-11 590 x 275 0,100 20 13,500 1-0,019 541,750 ±0,050
ВАЗ-2106 440x285 0,100 16 1-0,018 373 ±0,035
Головка цилиндров «Москвич» 415x170 0,150 20 12,500 +0,050 369,900 ±0,100
ЗИЛ-431410 580 х 260 0,250 20 14,200 +0,027 540 ±0,100
ВАЗ-2106 475 х160 0,100 2,500 16 1-0,018 336 ±0,025’
ГАЗ-66-11 550х 190 0,050 2,500 12 +0,027 71 ±0,025 252,5 ±0,050
Картер сцепления ЗИЛ-431410 535 х 220 0,250 40 14 +0,070 462 ±0,050
«Москвич-2140» 340 х 240 0,120 20 9 1-0,025 169,856-0 os»
Картер коробки «Москвич-2140» 160x145 0,150 2,500 14 +0,070 462 ±0,050
передач ЗИЛ-431410 370x230 0,150 40 14 +0,035 255 +0,05* 199 ±0,050
Отверстия расположены по гипотенузе, размеры заданы по катетам
| Корпусные детали сложной коробчатой формы с неблагоприятным соотношением габаритных размеров и отсутствием надежных баз, вызывающих затруднения при установке и закреплении в стационарных позиционных приспособлениях, требуют установки в специальных приспособлениях-спутниках при их обработке на позициях автоматической линии.
В зависимости от количества одновременно устанавливаемых деталей приспособления-спутники подразделяют на одно-и многоместные. Крупные по размеру детали обычно обрабатывают в одноместных, средние детали — в многоместных приспособлениях-спутниках На рис 94 приведены наиболее распространенные схемы установки спутников с гарантированным прижимом к установочным элементам позиции В стационарных позициях станков спутники крепят активными автоматиче-'кими зажимами. Схема установки и закрепления обрабатывае-1ых деталей, а также виды установочных элементов зависят лавным образом от технологического процесса механической бработки и конфигурации самой детали
Установку и закрепление деталей, а также их освобождение г удаление из приспособления-спутника после завершения об-аботки производят вручную или с помощью специальных авто-гатических устройств на загрузочно-разгрузочной позиции в на-але автоматической линии
Технологические процессы изготовления корпусных деталей азличных двигателей имеют общую последовательность выполнения операций механической обработки.
J обработка базовых и сопрягаемых поверхностей;
✓ обработка установочных базовых отверстий;
Рис. 9.4. Схемы установки спутников
г — иа две плоскости и отверстие, б — на две плоскости и призму, в — на две призмы, 1 — спутник, 2 — фиксатор, 3 — прижим, 4 — направляющие планки 5 — установочные элементы, 6 — призмы
371
^фрезерование или протягивание других ответственных поверхностей,
^черновое и чистовое растачивание основных отверстий;
^обработка второстепенных поверхностей;
J сверление, зенкерование;
J развертывание малого диаметра отверстий;
Zтонкое растачивание или хонингование точных отверстий;
^окончательная обработка плоскостей, требующих строгой перпендикулярности оси точных основных отверстий.
Кроме перечисленных операний, на автоматических линиях производят запрессовку направляющих втулок, гильз цилиндров и другие операции, а также мойку и автоматический операционный контроль размеров.
Автоматическая линия для обработки корпусных деталей состоит обычно из одно- и двусторонних агрегатных, сверлильных, фрезерных и расточных станков с вертикальным и горизонтальным расположенияем шпинделей. Конструкция станков жесткая, отсутствует индексация шпинделей, значительна концентрация режущих инструментов, особенно на операциях черновой обработки. Точность обработки корпусных деталей на позициях этих автоматических линий 30—60 мкм.
9.3. Обработка блоков цилиндров двигателей
Конструктивные и технологические особенности блоков цилиндров. Блок цилиндров является базовой деталью двигателей и представляет собой наиболее сложную по конфигурации и трудоемкую по изготовлению корпусную деталь По расположению цилиндров блоки двигателей подразделяют на V-образные и однорядные с вертикальным и горизонтальным расположением цилиндров. На рис 9.5 показаны основные обрабатываемые поверхности V-образного двигателя.
Основными обрабатываемыми поверхностями блоков являются верхняя 1 и нижняя 2, передняя 3 и задняя 4 плоскости, опоры 5 для вкладышей коренных подшипников коленчатого вала, отверстия 6 под гильзы, валик 7 прерывателя-распределителя, валик привода масляного насоса и установочные втулки. Остальные поверхности являются второстепенными, и их обработка не определяет характер механической обработки К ним относят небольшие плоскости фланцев и поверхности большого 372
Рис. 9.5. Основные обрабатываемые поверхности восьмицилиндрового V-образного двигателя
числа отверстий с резьбой и без резьбы, предназначенных для установки и крепления отдельных деталей и узлов.
Порядок выполнения второстепенных операций не имеет существенного значения и устанавливается в зависимости от используемого оборудования в технологическом процессе. Эти операции группируются таким образом, чтобы при однократной установке детали можно было обрабатывать различные отверстия сверлением, зенкерованием, развертыванием, обеспечивая необходимую последовательность их выполнения.
Вследствие наличия большого числа отверстий в верхней, нижней и боковых сторонах блока их обработку производят в несколько операций, а резьбу нарезают в отдельных операциях.
Одновременно с этими второстепенными операциями иногда проводят операции по обработке некоторых точных отверстий клапанов, отверстий под масляный насос и др.
Требования к точности изготовления и шероховатости основных сопрягаемых поверхностей корпусных деталей высоки. Отклонения от плоскостности, параллельности и взаимной перпендикулярности сопрягаемых поверхностей не должны превышать 0,02—0,05 мм на 100 мм длины. Точность обработки гнезд под вкладыши коренных подшипников коленчатого вала должна соответствовать 5—6-му квалитетам, а точность обработки отверстий под шейки распределительного вала — 7-му квалите-ту. Конусность и овальность гнезд под вкладыши коренных подшипников и отверстий под шейки распределительного вала допускаются до 60 % поля допуска на отверстие.
Допуск плоскостности поверхности под головки цилиндров относительно отверстия под коленчатый вал равен 0,05 мм, глубины выточки под бурт гильз — 0,05 мм. Отклонение от соосности гнезд вкладышей коренных опор допускается не более 0,02 мм, а от перпендикулярности и параллельности осей распределительных и коленчатых валов — не более 0,05—0,10 мм на всей длине блока. Точность выполнения посадочных отверстий под втулки, пальцы и другие сопряженные детали должна соответствовать 5—7-му квалитетам. Кроме того, отклонение от перпендикулярности осей цилиндров оси коленчатого вала не должно превышать 0,03—0,07 мм на всю длину цилиндров, овальность цилиндров в любой плоскости — 0,025 мм. Шероховатость Ra поверхностей гнезд цилиндров — 2,50 мкм, отверстий под коленчатый вал — 0,63 мкм.
Большинство поверхностей блоков механически обрабатывают при базировании цх по основной установочной поверхности, 374
являющейся привалочнои плоскостью нижнего поддона картера, и по двум установочным отверстиям, расположенным на этой плоскости. Такой метод базирования позволяет надежно закрепить блок в процессе обработки и точно координировать положение его обрабатываемых поверхностей относительно инструментальных шпинделей станков.
Блоки цилиндров в большинстве случаев отливают из серых мелкозернистых чугунов, обладающих высокими литейными и механическими качествами, или же из алюминиевых сплавов Высокой прочности и повышенной коррозионной стойкости
Обработка V-образных блоков цилиндров двигателей. Механическую обработку V-образных восьмицилиндровых бензиновых двигателей производят на комплексе автоматических линий (пять линий, соединенных с автоматически действующими накопителями и средствами автоматического контроля).
На первой автоматической линии, состоящей из двух самостоятельных потоков, осуществляют предварительное и окончательное фрезерование нижней плоскости блока на 4-шпиндель-ных продольно-фрезерных станках портального типа, сверление базовых отверстий и цековка технологических транспортных платиков, расположенных с двух сторон детали. Последующее фрезерование верхней плоскости блока производят на 2-шпин-дельных продольно-фрезерных станках, после разворота блока в барабане маятникового типа на 180° вокруг горизонтальной оси. Кроме того, на линии предварительно и окончательно фрезеруют торцовые и наклонные поверхности блока под головку.
1 Для протягивания постелей под вкладыши и замка под крышки коренных подшипников в линию встроены параллельно работающие протяжные станки.
С фрезерных станков детали передают на протяжные станки реверсивным поперечным конвейером, позволяющим направлять детали с любого фрезерного на любой протяжной станок. Между фрезерными станками обрабатываемые блоки перемещаются с помощью подвижных столов, а на остальных участках линии — шаговыми конвейерами с храповыми собачками.
После протягивания блоки поступают в автоматический накопитель и на вторую автоматическую систему, состоящую из .Четырех двухпоточных секций (кроме одной линии) с автоматически действующими накопителями и конвейерами. Управление параллельными потоками независимое. Они обеспечивают оп-^деленную гибкость линии и резко снижают простои.
375
Первая секция системы, состоящая из двух параллельных потоков, включает десять станков, на которых производят черновое и чистовое фрезерование торцов коренных подшипников, плоскостей под масляный насос и привод распределителя, а также черновое и получистовое растачивание отверстий под гильзы цилиндров. Перед операцией сверления всех отверстий со стороны переднего и заднего торцов блока его поворачивают на 90° вокруг вертикальной оси на поворотном столе со смещенным центром поворота. После этих операций детали попадают в вы-тряхиватель двойного действия, где они разворачиваются на 90е в одну и другую стороны, что позволяет удалять стружку из отверстий в заднем и переднем горцах. Очищенный от стружки блок возвращается в исходное положение, и щупы контрольного устройства проверяют наличие и глубину просверленных на предыдущей операции отверстий. Затем детали поступают на поперечный конвейер и перемещаются на вторую секцию автоматической линии, состоящую из двух потоков по десять станков в каждом.
На первых семи станках этой секции обрабатываются отверстия со стороны верхней и нижней плоскостей блока, а также со стороны плоскостей под привод распределителя и масляный насос.
После разворота поворотным барабаном блока нижней плоскостью вверх на последующих трех станках этой линии обрабатываются отверстия со стороны нижней плоскости, со стороны плоскости под масляный насос и со стороны плоскости под привод распределителя. Перед подачей блока по поперечному конвейеру на участок третьей секции сначала удаляют стружку из обработанных отверстий, проверяют их наличие и глубину, а затем блок поворачивают на 180° вокруг горизонтальной оси для последующей механической обработки.
Третий участок состоит из двух независимых параллельных потоков, в каждом из которых по 14 станков, предназначенных для сверления наклонных масляных каналов, обработки отверстий под толкатели, отверстий со стороны плоскостей под головки блока, получистового растачивания отверстий под гильзы цилиндров и под привод распределителя, обработки масляного канала с боковой стороны и отрезки технологических платиков. Перед резьбонарезанием на линии также установлены вытряхи-ватели стружки и контрольные щуповые устройства для проверки наличия и глубины отверстий.
376
На четвертом участке второй автоматической линии имеется сначала один, а затем два потока. На пяти станках, сгруппированных в одном потоке, производят сверление, зенкерование, снятие фасок и развертывание отверстий, расположенных с разных сторон блока.
i В дальнейшем детали обрабатывают на двух потоках, на каждом из которых установлено по шесть резьбонарезных станков. '1а станках каждого потока нарезают резьбу в крепежных отверстиях со всех сторон блока. После моечной машины блоки поступают на третью автоматическую линию, состоящую из двух секций (рис. 9.6) и предназначенную в основном для выполнения расточных операций, установки, завертывания и градуированной затяжки крепежных болтов, а также запрессовки втулок.
В начале первой секции автоматической линии на двух уста-ювках Р1 и Р2 завинчиваются и затягиваются болты крепления фышек коренных подшипников. Далее на станках С1 и С2 федварительно и окончательно растачиваются отверстия под коленчатый и распределительный валы. На последующих двух 1араллельно работающих станках СЗ производится развертывание отверстий под втулки распределительного вала. Две парал-ельно работающие установки РЗ предназначены для запрессов-и пяти втулок в отверстия, развернутые на станках СЗ.
Вторая секция третьей автоматической линии включает пять нараллельных потоков по два станка в каждом. На станках С4 той секции производится, кроме чистового растачивания от-ерстий под коленчатый вал и отверстий в запрессованных втул-ах распределительного вала, развертывание четырех отверстий юд штифты с обоих торцов блока. Далее блок поступает на опе-апию расточки канавки под уплотнительные кольца и подрезки торнов в отверстиях под коленчатый вал с двух сторон, осуществляемую на пяти двухпозиционных расточных станках С5.
После хонингования на отдельных станках отверстий под коленчатый вал блоки цилиндров промываются и поступают на четвертую автоматическую линию, состоящую из двух независимых параллельных потоков по шесть станков в каждом. На этой Линии производятся чистовое фрезерование плоскостей под головки цилиндров на двух двухшпиндельных продольно-фрезерных станках портального типа и фрезерование поверхности под привод распределителя и масляный насос на двустороннем горизонтально-фрезерном станке. Для выполнения последней операции блок предварительно разворачивается на 90° вокруг горизонтальной оси. х
377
20000
Рис. 9.6. Планировка автоматической линии.
Г — станция гидропривода, ИШ — инструментальный шкаф, Kl, К2 — контрольные автоматы, Н — накопитель, Pl, Р2 — установки для заворачивания болтов, РЗ - установка для запрессовки втулок, С1—С5 — станки, ЭШ — электрошкаф
Окончательное растачивание и сверление отверстий под привод распределителя и под масляный насос, а также цекование внутренней опорной площадки под привод распределителя производятся на трех последующих станках данной автоматической линии
При обработке блока цилиндров дизеля щуповые устройства трех последних станков отключают их силовые головки при поступлении на станок блока цилиндров.
Затем после разворота на 90° вокруг горизонтальной оси блок Поступает для окончательной обработки на пятую автоматическую линию, являющуюся последней линией комплекса- Линия состоит из трех независимых параллельных потоков, каждый из которых включает четыре станка и два контрольных автомата
На линии производится растачивание отверстий под бурты гильз с одновременным подрезанием торцов и отверстий под Гильзы цилиндров (станки С1 и С2, рис. 9.6), а также растачивание и развертывание отверстий под толкатели (станки СЗ и С4) Для автоматического контроля диаметров отверстий под гильзы и толкатели, а также глубины выточки под бурты гильз на линии установлены контрольные автоматы К1 и К2.
Обрабатываемые блоки на линиях перемещаются автоматически толкающими и шаговыми конвейерами, поворот деталей осуществляется поворотными столами и барабанами, а фиксация на рабочих позициях — выдвижными фиксаторами
После выполнения операций механической обработки и последующего контроля блоки тщательно промывают в моечных машинах и транспортируют на общую сборку двигателя.
Рис. 9.7. Схема последовательного выполнения станочных операций на автоматических линиях
Комплекс автоматических линий для обработки блоков двигателей обеспечивает производительность в пределах 60 шт /ч.
Схема последовательного выполнения станочных операций изображена на рис 9.7, в табл 9 3 приведены наименования этих операций и эскизы
Таблица93 Маршрут обработки блока цилиндров двигателя
№ опера-ции
10
Наименование операции
Фрезерование установочных н транспортных поверхностей платиков на боковых сторонах блока, а также наружных боковых поверхностей на нижней части блока
20 Предварительное фрезерование торцов плоскостей крепления картера, фрезерование н протягивание поверхностей опоры под крышки и вкладыши коренных подшипников
30 Сверление и развертывание установочных отверстий и отверстий под крепление крышек коренных подшипников
Фрезерование поверхностей бобышек н торцов под крышки коренных подшипников
Эскизы
Предварительная обработка передней и задней плоскостей блока и наклонных плоскостей под головки цилиндров
380
Продолжение табл 93
No операции
Наименование операции
Эскизы
70
j 80
90
100-
230
Предварительная обработка верхней и нижней направляющих под гильзы цилиндров
Предварительная обработка отверстий под штанги толкателей клапанов
Сверление продольных и сливиых масляных каналов с торцов блока
Сверление масляных каналов в верхней плоскости блока
Обработка второстепенных поверхностей сверление, зенкерование, развертывание и цекование отверстий малого диаметра в верхней, нижней и боковых сторонах блока, в том числе обработка сливных масляных каналов в подшипниках распреде лительноговала нарезание
381
Продолжение табл 93
No операции
Наименование операции
Эскизы
240
резьбы в отверстиях передней и задней плоскостей блока, в отверстиях для крепления нижнего картера, крышек коренных подшипников, головок цилиндров и в других отверстиях Мойка, продувка и сушка блока
250
Сборка блока с опорой топливного насоса
Сборка блока с крышками коренных подшипников
280
Чистовая обработка нижней плоскости блока
Чистовая обработка посадочных мест под установку приемной помпы
382
Продолжение табл. 9 3
№ операции Наименование операции Эскизы (
290 Окончательное растачивание отверстий под вкладыши коренных подшипников и опор распределительного вала, развертывание отверстий в бобышках боковой стороны блока Чистовое фрезерование передней и задней поверхностей блока 1
и ll
300 1
f
—
310 . 320 Чистовая обработка плоскостей под головки цилиндров и отверстий под гильзы цилиндров Развертывание отверстий в наклонных плоскостях блока
\ 1 7 > /
330 Чистовая обработка отверстий под штанги толкателей клапанов S \ 1 JU
383
Продолжение табл 9 3
№ операции
Наименование операции
Эскизы
Хонингование отверстий под вкладыши коренных подшипников
350
360
370
380
Мойка, обдувка и сушка блоков
Установка заглушек в отверстия продольных масляных каналов
Проверка деталей на герметичность
Окончательный автоматический контроль основных размеров
9.4. Особенности обработки головок цилиндров
Конструкция головки цилиндров автомобильных и тракторных двигателей зависит в основном от их типа, размеров и назначения, форм камер сгорания, расположения клапанов, форсунок или свечей, а также конструкции системы питания. Исходя из технических требований, предъявляемых к головкам цилиндров, их изготавливают из серого чугуна (СЧ15, СЧ18, СЧ21) и алюминиевых сплавов (АЛ4, АЛ5, АЛ9, АК6М2). Конструкции головок цилиндров карбюраторных двигателей подразделяют в зависимости от расположения клапанов на три типа: с боковым расположением клапанов, с подвесными клапанами и со смешанным (впускные клапаны — в головке, выпускные — в блоке цилиндров). Головки цилиндров дизелей по конструктивным особенностям формы камеры сгорания делят на два основных типа: с нераздельными камерами, расположенными в головке или поршне, и с раздельными камерами 384
Хвихрекамерные и предкамерные дизели и дизели с воздушно-вспомогательными камерами).
В зависимости от конструктивных особенностей головок и масштаба производства технологические процессы могут быть различны. Основной точно обрабатываемой поверхностью у головок является привалочная нижняя плоскость стыка головки с шоком. Жесткие требования предъявляют также к точности об-эаботки отверстий под втулки клапанов и соосности этих отверстий с гнездами седел.
Характерный технологический процесс полной обработки '.оловки цилиндров автомобиля ВАЗ-2105 с применением шести стоматических линий представлен в табл. 9.4. Головка цилинд-юв с левой стороны имеет четыре резьбовых отверстия для свечей зажигания. С правой стороны расположен фланец с резьбовыми отверстиями под шпильки для крепления впускного и выпускного трубопроводов На верхней стороне головки цилиндров предусмотрены площадка и отверстия для запрессовки направляющих втулок и седел клапанов, опорных шайб клапанных Пружин, втулок опор рычагов и корпуса подшипника распределительного вала. По периметру привал очной плоскости расположены восемь отверстий под шпильки крепления к блоку цилиндров двигателя.
2
3,4
[зб, 7,9,10
Таблица 94 Маршрут обработки головки блока цилиндров
операции
5
Наименование операции Эскиз
Загрузочная Свободная Сверление восьми отверстий в направляющих втулках клапанов с правой стероны головки Свободная Обтачивание с левой стороны головки верхнего конца направляющих втулок с одновременным подрезанием торца и снятием фасок
—-
1
Продолжение табл. 9.4
№ операции Наименование операции Эскиз
8,11,12,15 13,14,16,17 18 19 20 21 22.23 24 25 Растачивание и подрезание торцов седел впускных и выпускных клапанов со снятием фаски с правой стороны детали Свободные Растачивание с левой сгороны детали восьми отверстий под резьбу регулировочных болтов с подрезанием торцов бобышек Рассверливание с правой стороны восьми отверстий в направляющих втулках с обработкой фасок на седлах клапанов Свободная Нарезание резьбы в отверстиях направляющих втулок впускных и выпускных клапанов Нарезание резьбы в отверстиях под регулировочные болты клапанов Свободная Развертывание отверстий направляющих втулок впускных и выпускных клапанов Свободная Разгрузочная ДЖ О г '1 "I ** v Ж
Заготовку головки блока получают из алюминиевого сплава литьем в кокиль с припуском на обработку 1,5—2 мм на сторону.
Механическую обработку головки блока цилиндров, сборку с седлами и направляющими втулками клапанов производят на 386
комплексной автоматической линии в два потока; обработку головки в сборе с седлами и направляющими втулками клапанов — в три потока В потоках установлено 11 линий механической обработки, две сборочные автоматические линии, четыре моечные машины и две установки обдува воздухом (рис. 9.8).
На первой 11-позиционной автоматической линии, состоящей из двусторонних агрегатных станков, механическая обработка головки производится на двух потоках. На этой линии осуществляются предварительное фрезерование верхней и нижней плоскости головки, фрезерование поверхности под трубопровод и бобышки на переднем торце, сверление и развертывание двух базовых отверстий. Между потоками установлены три автоматически действующих накопителя.
С первой автоматической линии головки цилиндров поступают на 30-позиционную автоматическую линию из девяти станков, состоящую из двух параллельных потоков, самостоятельно управляемых и связанных между собой тремя накопителями. Это резко снижает простои при наладке или аварийном выходе из строя какого-нибудь механизма управления станками. На этой линии сверлятся отверстия под болты крепления головки цилиндров к блоку, отверстия под болты крепления крышки головки и отверстия под резьбовые опоры рычагов привода клапанов, отверстия под направляющие втулки, зенкеруются отверстия под седла клапанов, сверлятся отверстия под резьбовые наконечники свечей, отверстия на бобышке переднего торца, нарезается резьба под пробку в отверстии на заднем торце.
Далее головка поступает на третью 20-позиционную автоматическую линию из пяти станков, состоящую также из двух потоков. На данной линии сверлятся отверстия и нарезается резьба со стороны крепления трубопроводов, зенкеруются отверстия под свечи со стороны камер сгорания, растачиваются предварительно и окончательно отверстия под направляющие втулки клапанов и седел клапанов. Эти потоки соединены между собой двумя накопителями
После выполнения на первых трех автоматических линиях операций механической обработки головки цилиндров тщательно промывают в специальных моечных машинах тоннельного типа, соединенных с линиями автоматическими конвейерами, автоматически контролируют и проверяют на герметичность. После промывки головки перемещают в сушильную камеру, где обдувают горячим воздухом.
25*
387
Рис 9.8. Планировка участка механической обработки головки цилиндров автомобиля ВАЗ-2105’
I — 11-позиционная автоматическая линия для фрезерования плоскостей, 2 — 30-позиционная автоматическая линия для сверления зенкеро-вания, цекования и нарезания резьбы, 3 — 12-позииионная автоматическая линия, 4 ~ автоматическая линия запрессовки направляющих втулок и седел клапанов, 5 — 25-позиционная автоматическая линия, 6 — 6-позиционная автоматическая линия для окончательного фрезерования, КС — контрольная станция, PC — ремонтный стол, ММ — моечная машина
Далее головки цилиндров поступают на четвертую автомати-ескую линию запрессовки направляющих втулок и седел кла-анов, откуда по приводным рольгангам перемешаются на сле-ующую 25-позиционную автоматическую линию из семи станов, состоящую из трех параллельных потоков, соединенных с втоматически действующими накопителями. Параллельные по-оки имеют независимое управление, обеспечивающее опреде-енную гибкость линии, резкое снижение простоев
На пятой 25-позиционной линии сверлятся отверстия во тулках клапанов, растачиваются с одновременным подрезанием орцов седла клапанов, обтачиваются с подрезанием торцов вы-тупающие концы направляющих втулок. Производятся также досверливание отверстий во втулках с протачиванием фасок на едлах клапанов, растачивание отверстий и нарезание резьбы юд регулировочные болты клапанов и в направляющих втулках, также окончательное развертывание отверстий втулок
Последовательность операций механической обработки го-овки цилиндров (рис 9 9) на пятой линии приведена в табл .4. С трех потоков пятой автоматической линии головки блоков о приводному двухручьевому рольгангу перемещаются от пер-эго потока к третьему до конца первого ручья, где перегружа-тся на второй ручей и по нему, перемещаясь в обратном на-равлении, поступают к шестой автоматической линии, образуя 5М самым накопитель большой емкости.
Шестая 6-позиционная автоматическая линия, состоящая из вух параллельных потоков, имеет две позиции для окончатель-ого фрезерования верхней и нижней плоскостей головок и ту поворотную станцию.
Рис. 9.9. Сечения головки цилиндров по отверстиям клапанов
1 — седло клапана, 2 — направляющая втулка
389
Обработанные полностью головки поступают на мойку, затем окончательно контролируются.
Для пооперационного контроля размеров обработанных отверстий в линиях встроены контрольные приспособления, оснащенные пневматическими датчиками. На участках автоматических линий при выходе измеряемых размеров за пределы допуска предусмотрены также световая и звуковая сигнализации с одновременной автоматической остановкой линий. Выборочный контроль отдельных геометрических параметров обрабатываемых поверхностей головки производят на приспособлениях с индикаторными или элекгроконтактными головками.
Все технологическое оборудование комплекса автоматических линий соединено между собой системой ленточных и штанговых конвейеров, накопителями и приводными рольгангами. Производительность автоматической линии механической обработки головки 160 шт./ч.
Обработка головки блока цилиндров двигателя КамАЗ. Для обработки головки цилиндра применена комплексная автоматическая линия фирмы «Renault» (рис. 9.10), включающая операции обработки, сборки и контроля в автоматическом цикле. Необходимость применения автоматической линии предопределяется:
— высокими требованиями к точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей. Так, допуски на диаметр кольцевой выточки для уплотнительного кольца газового стыка диаметром 147 мм не должны превышать 0,04 мм, на отклонение по прямолинейности привалочной плоскости к блоку—0,03 мм на длине 100 мм, взаимного биения отверстий под седла и втулки клапанов — 0,05 мм, а после обработки в сборе — 0,03 мм; шероховатость поверхности отверстий втулок и седел должна составлять Ra ~ 0,63 мкм при твердости седел 45—50 HRC3;
— большой программой выпуска, обусловленной конструкцией.
Комплексная линия состоит из двух участков — участка обработки и участка подсборки и обработки в сборе. Заготовки подаются на линию автоматически из входного накопителя, загружаемого оператором вручную. В линии предусмотрено 12 гидравлических поворотных устройств для переориентации заготовок перед соответствующими операциями. Все оборудование линии связано между собой шаговыми, а отдельные операции — приводными транспортерами и рольганговыми накопителями на 600 деталей каждый.
390
КС - контрольный стол, ПУ - пульт управления
Рис. 9.10. Схема комплексной линии фирмы «Renault» для механической обработки головки цилиндров
КС—контрольный стол; ПУ - пульт управления; Н - накопитель
Рис. 9.11. Схема участка механической обработки передней крышки блока цилиндров фирмы «Renault»
Заданная производительность линии и соответствие качества обработанных деталей техническим требованиям обеспечиваются:
J высокой концентрацией операций и одновременной обработкой двух деталей на каждой позиции;
применением высоких режимов обработки;
✓ автоматизацией загрузки и разгрузки деталей и транспортирования их по всей линии;
введением в автоматическую линию трудоемких операций; зачистки заусенцев, запрессовки комплектующих изделий, испытания на герметичность и окончательного контроля размеров;
автоматизацией контроля и подналадки на операциях окончательного растачивания втулок и седел клапанов.
На линии широко используют комбинированные режущие инструменты — сверла и цековки с фасочными кромками. При фрезеровании, развертывании и растачивании применяют непе-ретачиваемые твердосплавные пластинки.
Содержание операций, оборудование и режимы обработки представлены в табл. 9.5.
Особенности обработки нежестких корпусных деталей. К таким деталям относят переднюю крышку блока цилиндров. В качестве примера рассмотрен технологический процесс обработки крышки двигателя автомобиля КамАЗ.
Передние крышки блока цилиндров двух наименований обрабатывают на переналаживаемой автоматической линии фирмы «Renault» (рис. 9.11).
Необходимость обработки крышек двух видов на одной линии и коробчатая тонкостенная форма деталей с малой жесткостью при высоких требованиях к точности обработки (непло-скостность торцов не должна превышать 0,02 мм, взаимное биение поверхностей растачиваемых отверстий — 0,03 мм, допуски на линейные размеры точных отверстий длиной до 300 мм ±0,03 мм) представляют значительные трудности для автоматизации механической обработки.
Унификация ряда размеров и расположения базовых бобышек позволила автоматизировать загрузку и транспортирование деталей и применить переналаживаемую автоматическую линию без спутников, состоящую из двух последовательно расположенных участков. Особенность линии — переналадка ее с обработки детали одного наименования на обработку детали другого наименования осуществляется с пульта управления отключением и включением соответствующих головок, за исключением пяти 392
Таблица 9.5 Маршрут обработки крышек коренных подшипников
№
one- Наименование операции
рации „
10 Фрезерование двух торцов блока до размера 204+°’6 мм
20
30
Фрезерование верхней плоскости задней крышки до размера 66-о 2 мм Сверление с левой стороны шести отверстий диаметром 13,5 мм под болты крепления к блоку двигателя, двух отверстий диаметром 6,5 мм на глубину 13,5 мм с одновременным снятием фаски 2x45" и одного отверстия диаметром 6 мм на расстоянии 36 мм от торца крышки заднего коренного подшипника на глубину 15 мм Сверление с правой стороны четырех отверстий диаметром 13,5 мм и двух отверстий диаметром 6,7 мм на верхней плоскости 1фышки заднего коренного подшипника на глубину 15 мм со сверлением фаски под углом 90° до диаметра 8 мм под резьбу М8х 125 мм
Оборудование
Агрегатный 2-1шшндельный горизонтальный станок
Тоже
Агрегатный двусторонний 30-шпин-дельный горизонтально-сверлильный станок
Продолжение табл. 9.5
№
one- Наименование операции
рации __________
40 Зенкерование отверстий (1—10) диаметром 14,5 мм
Оборудование
Агрегатный двусторонний горизонтально-сверлильный станок
Фрезерование с левой стороны крышки заднего коренного подшипника канавок диаметром 105 и 90 мм и шириной соответственно 5,5 и 4,5 мм. Нарезание резьбы М8х1,25 мм на глубину 12 мм в двух отверстиях (II, 12) с правой стороны крышки
Агрегатный двусторонний 5-шпин-дельный горизонтальный фрезерно-резьбонарезной станок
60 Фрезерование с левой стороны детали пяти замочных пазов шириной 5т016 мм и одного установочного паза шириной 6*° 085 мм и глубиной 7—8 мм с образованием фаски 1x45° в крышке переднего коренного подшипника Цекование с правой стороны пяти бобышек (2,4, 6,8,10 диаметром 25 мм до размера 5О*0 * мм
70 Зенкование фасок под углом 0,5x45° со стороны стыка у десяти отверстий под болты крепления к блоку цилиндров двигателя
Агрегатный двусторонний 7-шпиндельный горизонтальный фрезерно-цековочный станок
Агрегатный односторонний 10-шпиндельный горизонтальнозенковочный станок
80
Фрезерование уступа у основания крышки заднего коренного подшипника на глубину 1,2 мм до размера 20+0,2 мм от оси отверстия диаметром 14,5 мм Цекование пяти бобышек диаметром 25 мм (1, 3, 5, 7, Я) до размера 50*°5 мм от плоскости стыка
Агрегатный трехстсронний 7-шпин-дельный фрезерно-сверлильный станок (расположен в конце автоматической линии)
позиций, где при переналадке смена инструмента производится вручную. В случае изменения программы на линии можно обрабатывать любую из двух деталей с максимальной производительностью 80 деталей в час.
Для обеспечения бесперебойной работы станков в линию встроены три рольганговых накопителя общей емкостью 200 деталей. Питается линия заготовками из входного накопителя, загружаемого оператором вручную. Перемещение деталей с позиции на позицию осуществляется шаговым транспортером с гидравлическим приводом, а в накопителях — ленточными транспортерами.
На первой, 32-позиционной, линии производят предварительное фрезерование плоскости разъема, сверление крепежных и развертывание базовых отверстий, снятие фасок, фрезерование нижней плоскости, предварительное растачивание посадочных отверстий под манжету, корпус подшипника и подшипник вала шкива, цекование выступов, сверление отверстий для крепления корпуса подшипника и масляного картера, нарезание резьбы и сверление маслоканалов с базированием во плоскости разъема и двум базовым отверстиям.
На второй. 24-позиционной, автоматической линии производят чистовое фрезерование фланцев для крепления центрифуги и кронштейнов силового агрегата, сверление во фланцах крепежных и развертывание штифтовых отверстий, чистовое фрезерование присоединительной и нижней плоскостей, окончательное растачивание отверстий под манжету, подшипник и корпус подшипника гидромуфты, снятие щетками заусенцев и пересечений масляных каналов. Ввиду малой жесткости усилия зажима детали на чистовых операциях строго тарированы.
После вибрационной зачистки заусенцев и мойки детали испытывают на герметичность. Для проверки точности отверстий применяют средства активного контроля.
Обработка различных поверхностей в одной линии обеспечивается рядом гидравлических поворотных устройств на станках, производящих переориентацию деталей перед соответствующими позициями. Две позиции линии снабжены поворотными силовыми головками для двухпроходной обработки.
Для сверления, цекования, развертывания отверстий и нарезания резьб используют быстрорежущий инструмент; фрезерование и растачивание осуществляют инструментом с неперета-чиваемыми твердосплавными пластинками. Широко применяют комбинированные инструменты. Так, например, цековки, мет-396
чйки и развертки имеют режущие кромки для снятия фасок. Заусенцы в местах пересечения маслоканалов снимают зенковками'и металлическими шетками сразу же после их образования.
Примером реализации гибкого технологического процесса серийного изготовления семейства головки блоков цилиндров двигателей легковых автомобилей является сложная гибкая производственная система (ГПС) фирмы «Гроб» (ФРГ), показанная на рис. 9.12. Она включает 24 обрабатывающих центра 7, восемь из которых могут обеспечить обработку деталей по пяти осям координат. ГПС включает также три короткие станочные линии 2, сборочные участки 3, а также машины для пайки 4 деталей перед сборкой, контроля и их сборки, различные транспортные 5 устройства, бункеры-накопители 6. Операции обработки и сборки синхронизированы за счет параллельной работы станков на лимитирующих операциях.
Планировка ГПС позволяет судить о том, какие сложные технологические системы используют в двигателестроении и насколько многовариантна и сложна технологическая подготовка производства таких изделий.
Рис. 9.12. Планировка участка из обрабатывающих центров, станочных и сборочных позиций для комплексного производства семейства головок блоков
397
I г
ill'll:
9.5. Обработка крышек коренных подшипников двигателя
I
. /•
Комплект крышек коренных подшипников изготавливаю!- из одной блочной отлитой заготовки (рис. 9.13).
Участок механической обработки комплекта крышек состоит из двух двухрамных двухпозиционных вертикально-протяжных станков, системы автоматических линий и проходной моечной машины. Кроме того, для пооперационного контроля размеров в процессе обработки в линии встроены специальные контрольные устройства. Ниже приведены основные технические данные системы автоматических линий.
Время цикла, с.............................................................42
Коэффициент технического использования ...................................0,7
Производительность, шт./ч .......................Л,........................64
Число автоматических линий..................................................2
Число станков .......................................................................... 10
Число шпинделей в системе .................................................85
Число двигателей в системе ................................................26
Производственная площадь, м2 ......................................... 270
Перемещение обрабатываемой блочной заготовки с одной линии на другую производят промежуточным накопителем, предназначенным для создания межоперационного задела между автоматическими линиями.
После обработки на протяжных станках боковых замковых поверхностей до размера 134+0’027 мм, плоскости стыка до размера 66 ± 0,2 мм и полуокружности под вкладыши до размера 74+0,250 мм блочная заготовка поступает на первую автоматическую линию, состоящую из восьми станков, трех конвейеров, поворотных устройств и вспомогательного электро- и гидравли-
Рис. 9.13. Блочная заготовка крышек коренных подшипников 398
ВидЛ
2О4+0-5
27-0,5
Рис. 9.14. Схема последовательности выполнения операций по обработке блока крышек коренных подшипников
ческого оборудования. На каждой позиции линии одновременно обрабатывают два комплекта крышек. На первую операцию автоматической линии блочную заготовку загружает оператор.
Последовательность механической обработки блока крышек
коренных подшипников на автоматической линии приведена в табл. 9.5.
Далее блоки крышек после разворота их в поворотных устройствах вокруг вертикальной и горизонтальной осей транспор-
тируют на вторую автоматическую линию, состоящую из двух
специальных одношпиндельных горизонтально-разрезных станков. Конвейер-накопитель, обслуживающий эти станки, подает детали одновременно на оба станка для разрезания комплекта на отдельные крышки набором дисковых фрез (рис. 9.14).
9.6. Методы и средства контроля корпусных деталей
Контроль корпусных деталей производят как в процессах обработки между операциями, так и после обработки на выходе из автоматической линии. Контроль, производимый во время обработки, обеспечивает точность обрабатываемых поверхностей, бесперебойную работу оборудования, предотвращает погрешности обработки, которые могут возникнуть в результате помех в
системе во время процесса производства, например износа инструмента или его поломки. Этот вид контроля имеет важное значение, так как благодаря тесной связи с процессом обработки дает возможность быстрого вмешательства в производственный процесс.
399
Контроль деталей непосредственно в зоне обработки ГПМ предназначен для обнаружения недопустимых отклонений от заданных размеров обрабатываемой детали и соответствующей их коррекции.
Контроль, производимый после обработки, предназначен для комплексной проверки точности взаимосвязанных поверхностей детали.
В настоящее время оба вида контроля осуществляют с применением особо точных координатно-измерительных систем. Ниже приведены методы и средства выполнения контрольных операций, являющихся специфическими для корпусных деталей, в частности, для блоков цилиндров двигателя КамАЗ.
Контроль параметров блока цилиндров в линии обработки производят пневматическими приборами фирмы «Sheffield» (США). На всех измерительных позициях блок цилиндров базируется в приспособлении-спутнике, в котором ведется его механическая обработка. В качестве преобразователей используют пневмоэлектроконтактные устройства. Эти приборы построены на принципе фиксирования перепада давления или расхода сжатого воздуха при его прохождении через зазор равной величины между поверхностями измеряемого отверстия и пробки прибора. Такой метод применяют для контроля диаметров отверстий под распределительный и коленчатый валы, перпендикулярность торца отверстия под гильзу. На рис. 9.15 представлена пневматическая оправка для измерения перпендикулярности плоскости блока к оси отверстия под гильзу. Оправка позволяет измерять отклонение от неперпендикулярности в четырех сечениях по длине отверстия под гильзу. Точность измерения составляет ±1,5 мкм.
Все контрольные позиции имеют обратную связь с позициями механической обработки. По мере износа режущего инструмента и приближения размера к границе поля допуска производится автоматическая его подналадка.
В настоящее время операционный и послеоперационный контроль осуществляют с применением особо точных контрольно-измерительных систем нового поколения.
Применение координатных измерительных систем с программным управлением. С помощью таких систем в процессе обработки или вне линии производят контроль наружных и внутренних диаметров с прерывающейся и беспрерывной поверхностью, пазов, плоскости, толщины, конусности, овальности, соосности, межцентрового расстояния, параллельности, выпуклости, ис-400
Рис. 9.15. Схема измерения перпендикулярности торца под гильзу к его оси на пневматическом приборе
кривления и тщ. Данные системы позволяют определить пространственное положение детали, произвести замеры точности обрабатываемых поверхностей по трем координатным осям х, у иге помощью измерительных щупов, встроенных в оборудование. Путем точного измерения по заданной программе можно определить размеры и пространственное положение любой поверхности обрабатываемой детали.
На рис. 9-16 представлены схемы измерения обрабатываемых поверхностей с помощью высокоточных измерительных щупов. Так, например, точность обработанной плоскости и диаметр круга могут быть измерены ощупыванием трех точек, для измерения параллельности поверхностей достаточно четырех точек. При измерении дйаметра внутренних или наружных поверхностей необходимо учитывать диаметр D шарикового наконечника. Конструкция щупового датчика представлена на рис. 9.17. Щуповые датчики в зависимости от контролируемой поверхности могут быть различной формы (прямой, изогнутой, спиральной) и с различными наконечниками (шарик, конус, игла).
Для измерения сложных корпусных деталей, которые невозможно проконтролировать одним щупом, служит стандартный
26-5935
401
Параметры измерения
Расстояние в координатном направлении
Пространственное расстояние (длина)
Центр крута
Диаметр круга
Точка сечения
Прямая пересечения
Прямая
Изображение
Рис. 9.16. Схема измерения различных поверхностей детали
Рис. 9.17. Схема конструкции трехмерного датчика «Лапик»
г
табор наконечников. С помошью данного набора можно составить любую конфигурацию щупа, позволяющего произвести оп-гимальные измерения изделия за одну установку.
Контрольно-измерительные линии нового поколения серии КИМ производства АО «Лапик» (г Саратов) обеспечивают десть степеней свободы щуповой измерительной головки. Щу-повую головку закрепляют на платформе, подвешенной на неподвижной измерительной раме, посредством шаровых без-тюфтовых шарниров на прямолинейных тягах, приводимых в движение электромеханическими безлюфтовыми приводами (рис 9.18)
Отсчет перемещений осуществляют девять лазерных интер-|)ерометров, установленных по одному на каждом из плеч системы. Дискретность отсчета перемещений по координатам х, у, z — 0,08 мкм, перемещение по любой из поворотных координат (поворот платформы вокруг любой из прямолинейных осей х, у, t) — 30° , а точность позиционирования — от 3 до 7°
' Данные машины оснашены современным программным и Математическим обеспечением, включающим:
i J систем)1 управления;
автоматическую систему измерений;
j J библиотеку измерительных и расчетных программ.
Рис. 9.18. Контрольно-измерительная машина серии КИМ
403
9.7. Обработка корпусных деталей на гибких автоматических линиях
В настоящее время широко распространяется механическая обработка корпусных деталей на гибких автоматических линиях (ГАЛ), комплектуемых как из традиционных агрегатных и специальных станков, так и из станков с ЧПУ, в том числе и из многопозиционных с инструментальными магазинами и устройствами смены приспособлений. В таких автоматических линиях специально предусмотрены резервные позиции для случаев, когда в конструкцию детали или в процесс механической обработки вносят изменения. Количество резервных позиций рекомендуется принимать с учетом общего числа рабочих позиций на ГАЛ, а именно: 1—2 при числе рабочих позиций до 10; 2—3 при числе рабочих позиций 10—20 и 3—5 при числе рабочих позиций 20 и более.
На рис. 9.19 представлена система ГАЛ для обработки блока цилиндров двигателя. Данная система при необходимости может переналаживаться на обработку двух типоразмеров блоков автомобиля «Жигули» моделей 2103 и 2105. При этом на тех рабочих позициях, где это необходимо по условиям процесса обработки данного блока, заменяют режущий инструмент и отдельные измерительные средства. На линии регулируют также упор ограничителей хода силовых узлов и изменяют программу управления циклом работы линии с помощью программируемого командоап-парата. Общее время переналадки линии — 2—2,5 ч.
Линия состоит из двух загрузочно-разгрузочных, четырех рабочих и восьми холостых позиций. При этом загрузочно-разгрузочные позиции оснащены устройствами контроля наличия обрабатываемых деталей и кантователями. Обрабатываемые блоки с позиции на позицию перемешаются по направляющим планкам конвейера при помощи транспортных штанг.
Детали, поступившие с загрузочного конвейера на кантователь 1 деталей, поворачиваются им на 90е для установки на направляющие планки конвейера, а затем перемещаются сначала на холостую позицию 2, .потом, при следующем ходе конвейера, — на позицию 3 для черновой обработки поверхности крепления масляного картера и постели крышек коренных подшипников. На холостой позиции 4 оператором может быть проведен контроль размеров обрабатываемого блока. Пройдя по конвейеру через холостые позиции (7, 9 и 10), блок цилиндров поступает на рабочие позиции (6, 8 и 11), где происходят черновое фрезерова-404
Рис. 9.19. Система ГАЛ для выполнения операций обработки блока цилиндров а — чернового фрезерования, б — чистового фрезерования, в — сверления отверстий на торцовых поверхностях, г и д — сверления отверстий на боковых поверхностях, е— растачивания. 1, 15 — кантователи деталей, 2, 4, 7, 9, 10, 12— 14 — холостые позиции, 3, 6, 8, 11 — рабочие позиции, 5, 16—19 — фрезерные головки, 20, 23 — сверлильные и резьбонарезные головки, 21 — контрольные головки, 22 — сверлильные головки, 24 — расточные головки
ние поверхности крепления головки цилиндров, чистовая обработка поверхности ее крепления, чистовая обработка поверхности крепления масляного картера, а также получистовое и чистовое фрезерование постели крышек коренных подшипников. Далее через холостые позиции блоки 12, 13 и 14 попадают на разгрузочную позицию, где кантователем 15 поворачиваются на 90°.
Одновременная или последовательная обработка различных ; однотипных деталей на ГАЛ по сходным технологическим про-। цессам зависит в основном от максимальных габаритных размеров, конфигурации и материала обрабатываемых деталей, числа (Операций технологического процесса и последовательности их ! выполнения, а также от программы выпуска.
405
I г
I
I
I
На рис. 9.20 представлены три типа камер сгорания блоков цилиндров высокооборотных дизелей, которые могут быть обработаны с помощью системы ГАЛ: блок цилиндров, камера сгорания двигателей с предкамерным зажиганием без гильз (см. ' рис. 9.20, а) и с гильзами (см. рис. 9.20, б), а также камера сгорания двигателя прямого впрыскивания топлива с гильзами (см. рис. 9.20, в). Блоки цилиндров двигателей этих трех типов различаются длиной обрабатываемых отверстий под гильзы. На базе модификаций этих блоков созданы двигатели семи типов. Все семь типов блоков могут обрабатываться в любой последовательности партиями, что обеспечивается системой устройств I автоматического распознавания, расположенных перед каждой линией системы ГАЛ.
Основное направление технического прогресса современного производства — создание такой организационной технологи- ! ческой структуры производства, которая обеспечивала бы возможность быстрой ее переналадки на выпуск широкой номенклатуры изделий.
Базой для решения этой задачи явились особые свойства ‘ гибких производственных систем (ГПС), их способность к быст- ( рой перенастройке на выпуск новой продукции за счет гибкости и мобильности на основе применения оборудования с ЧПУ, автоматизированных средств межоперационного транспортирова- i ния и накопления, систем автоматизированного управления.
Область применения ГПС. Применение ГПС в механосборочном производстве в сравнении с автоматическими линиями, применяемыми в массовом производстве, и со станками с |
lib I
Рис. 9.20. Камеры сгорания и головки цилиндров высокооборотных дизелей, обрабатываемых на ГАЛ
406
[ПУ, применяемыми в единичном производстве, способствует альнейшему совершенствованию и развитию комплексной ав-оматизации автомобилестроения, технологии обработки дета-ей, организации производства и автоматических систем удавления.
На рис. 9.21 приведена схема, показывающая область при-(енения металлорежущего оборудования в зависимости от партии и годовой программы выпуска деталей, а на рис. 9.22 — диаграмма стоимости производства в зависимости от приме-[яемого оборудования и размера партии обрабатываемых на [ем деталей. Из рисунков видно, что расширение применения бласти ГПС в зависимости от размера партий обрабатываемых еталей способствует снижению стоимости их обработки и уве-ичению степени интеграции производства. ГПС позволяет в —3 раза повысить производительность труда, обеспечить за-рузку станков до 0,85—0,9, автоматизировать практически все ехнологические операции: производить механическую обра-огку деталей, подачу заготовок со слада на станок и удаление бработанных деталей, смену режущего и мерительного инет-у мента, контроль качества обработки, отвоз стружки, подачу ?ОЖ и возврат деталей на склад готовой продукции. В ГПС озможно автоматизировать технологическую подготовку про-[зводства и его управление.
Рис. 9.21. Область применения различных концепций производства
407
Рис. 9.22. Область применения металлорежущего оборудования в зависимости, от размера партии н стоимости производства
Определения и классификационные признаки ГПС, В соответствии с общепринятым определением ГПС представляет совокупность в различных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов (РТК), гибких производственных модулей (ГПМ), отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах их характеристик.
Таким образом, данная система предназначена для обработки и сборки деталей и сочетает в себе высокую производительность, переналаживаемость, автоматизацию не только процессов обработки и сборки, но и межоперационного транспорта, загрузки и разгрузки деталей, контроля точности обработки, замены инструмента и контроля его износа, диагностики оборудования и других устройств системы.
Гибкие производственные системы характеризуются рядом признаков, определяющих их функциональное назначение. По данным признакам различают следующие виды ГПС:
408
— гибкий производственный модуль (ГПМ) — это единица ихнологического оборудования для производства изделий про-звольной номенклатуры в установленных пределах значений их 1ракгеристик с программным управлением, автономно функ-ионирующая, автоматически осуществляющая все функции, вязанные с их изготовлением, имеющая возможность встраива-ия в ГПС. Средства автоматизации ГПМ могут включать в себя акопители, спутники, устройства загрузки и выгрузки, устройства замены технологической оснастки, устройство удаления от-одов, устройство автоматизированного контроля, включая ди-тностирование;
— робототехнический комплекс (РТК) представляет собой совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующая и осуществляющая многократные циклы. РТК, предназначенные для работы в ГПС, должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания в систему. -Средствами оснащения РТК могут быть устройства накопления, ориентации и другие устройства, обеспечивающие функционирование РТК. Основными характеристиками ГПМ и РТК являются: способность работать автономно или некоторое время без участия оператора; автоматически выполнять все основные и вспомогательные операции; обладать гибкостью, удовлетворяющей требованиям мелкосерийного производства; высокой степенью завершенности обработки деталей с одного установи;
— гибкие автоматизированные участки (ГАУ) представляют собой производственную систему, состоящую из одного или нескольких ГПМ, объединенных автоматизированной системой травления производством, и обеспечивающую автоматизированный переход на изготовление новых изделий.
ГПС характеризуются высоким уровнем автоматизации. Предусматриваются три уровня автоматизации, которые представлены в табл. 9.6.
Кроме разделения ГПС по организационным признакам и уровню автоматизации, ГОСТ предусматривает их классификаций по следующим признакам: по комплексности изготовления зделия; виду обработки и разновидности изготовляемых изде-ий. По признаку комплексности изготовления изделий разли-ают следующие ГПС:
— операционные, осуществляющие операции технологическо-э процесса изготовления изделий (деталей, сборочных единиц);
409
Таблица96 Системы переналаживаемых линий с различным уровнем автоматизации
Наименование выполняемых функций Наименование классификационных группировок уровней
1-й 2-й 3-й
Код классификации группировки
1 2 3
Накопление материалов, заготовок и изделий (на складе) + + +
Накопление оснастки, инструмента + +
Транспортировка материалов, заготовок и изделий по маршруту склад—рабочее место— склад + + +
Транспортировка оснастки и инструмента по маршруту склад—рабочее место—склад -1 + +
Управление технологическими процессами + + 4-
Управление производственным процессом (планирование, диспетчирование и т п ) (+) (+) (+)
Зашита от аварийных ситуаций + + +
Смена управляющих программ (+) + 4-
Загрузка—разгрузка материалов, заготовок н изделий + +
Подача вспомогательных материалов к рабочим местам + +
Удаленке отходов производства от рабочих мест — + +
Установка и закрепление заготовок в приспособлениях-спутниках - - +
Контроль качества изготовления — — 4
Технологическая подготовка производства — — (+)
Проектирование изделий — — (+>
Примечание «+» — автоматическое, «(+)«• — автоматизированное, «—» — неавтоматизированное выполнение функции
— предметные, которые производят обработку деталей по технологическому процессу;
— комплектные, предназначенные для изготовления комплектов деталей, входящих в сборочную единицу,
— узловые, осуществляющие как изготовление комплектов деталей, так и сборку узлов.
По разновидности изготовляемых изделий различают ГПС для производства корпусных, плоскостных деталей, деталей типа тел вращения. Отдельную группу образуют ГПС, на которых изготавливают различные детали и ГПС, изготавливающие сборочные единицы. На рис. 9.23 представлен ряд различных деталей, обрабатываемых на ГПС.
410
Рис. 9.23. Номенклатура корпусных деталей, обрабатываемых на ГПС
Функциональные системы ГПС. Системы обеспечения функционирования ГПС представляют собой совокупность взаимосвязанных автоматизированных систем, обеспечивающих проектирование изделий, технологическую подготовку их производства, управление ГПС с помощью ЭВМ и автоматическое перемещение предметов производства и технологической оснастки. Эти системы могут работать в автоматическом или автоматизированном режиме и имеют следующие структурные части.
— автоматизированную систему научных исследований (АСНИ),
— автоматизированную систему проектирования новых изделий (САПР),
— автоматизированную систему технологической подготовки производства (АСТПП) — комплекс автоматизированных средств, программного обеспечения электронных банков данных для разработки и расчета технологии изготовления изделий, необходимой технологической оснастки, инструмента, выбора заготовок и пр.,
411
— автоматизированную транспортно-складскую систему (АТСС) — систему взаимоувязанных автоматизированных транспортных и складских устройств для складирования, хранения, временного накопления и доставки предметов труда, технологической оснастки к ГПМ, РТК или другому технологическому оборудованию и удалению отходов,
— автоматизированную систему инструментального обеспечения (АСИО) — взаимосвязанные устройства, оборудование и система управления, включая участки подготовки и настройки инструмента, его транспортировку, накопление, смену и контроль качества, обеспечивающие подготовку, хранение, автоматическую замену инструмента в магазинах на станках и другом технологическом оборудовании. Наиболее совершенные АСИО имеют также автоматические системы слежения за износом и поиском инструмента и наладки и переналадки инструмента на станке в процессе обработки;
— автоматизированную систему удаления отходов (АСУО) — устройства с системой управления для удаления стружки и других отходов из зоны ГПМ, РТК и другого оборудования, включенного в ГПС;
— автоматизированную систему обеспечения качества (АСОК), обеспечивающую контроль заданных параметров изделий в процессе обработки или сбора, анализ причин брака,
— автоматическую систему управления ГПС (АСУ ГПС) — комплекс ЭВМ, микропроцессорной техники.
В систему управления ГПС могут вводиться связи передачи данных между ЭВМ одного уровня, например, связь между ЭВМ транспортной системы и ЭВМ, управляющей складом, т е. используются сетевые средства.
Структура системы управления ГПС на уровне линии, участка представлена на рис. 9.24 В рассматриваемом случае исполнительный комплекс ГПС состоит из трех основных систем.
— совокупность ячеек 7, объединяющих обрабатываемые модули, номенклатура которых определяется технологией производства, реализуемой данной производственной единицей;
— транспортной системы 2, состоящей из автоматических транспортных средств, программно-управляемых системой управления ТС;
— автоматического склада Л, программно-управляемого системой управления АС.
412
Материалы, Инструмент, Изделия
заготовки оснастка
Рис. 9.24. Функциональная схема управления ГПС
к Как правило, каждая ячейка, транспортная система и авто-шатический склад управляются от автономных ЭВМ, которые реализуют функции по управлению оборудованием на основе Заложенных в них программ управления и формируют сообщения о завершении операции или об особых ситуациях, возникающих при работе управляемого им оборудования. Совместное [функционирование ячеек производства, транспортной системы ш склада обеспечивается системой управления (СУ) ГПС, кото-Бая включает центральную ЭВМ и дополнительные устройства шля обслуживания операторов, контролирующих работу ГПС.
I Система управления ГПС может быть информационно свя-Ьана с АСТПП (автоматизированной системой технологической 1подготовки производства) и АСУП (автоматизированной системой управления производством). АСТПП обеспечивает подготовку программ функционирования ГПС для каждого изделия [Подготовка программ начинается с разработки маршрутов дви-акения материалов (заготовок) и изделий в процессе их обработ-|ки между секциями автоматического склада и ячейками линии с ^Определением номенклатуры инструмента н составления технологического процесса
| АСУП обеспечивает календарное и оперативное планирова-шие производства, учет продукции, использование производственного оборудования, комплектацию производства материала-ши, заготовками, инструментом и т. д. Данные передаются по f линиям, связывающим ЭВМ АСУП и центральную ЭВМ систе
413
мы управления ГПС. На центральную ЭВМ возлагаются функции по обеспечению диспетчирования работы ГПС (ход производственного процесса, состояния оборудования, выпуск изделий и др.)
Таким образом, на центральную ЭВМ возлагаются функции по обеспечению взаимодействия с АСТПП и АСУП, а также по обслуживанию оператора ГПС, контролирующего состояния ГПС и управляющего ГПС в ситуациях, выходящих за рамки возможностей управляющих программ станков с ЧПУ. Экономические критерии выбора той или иной структуры СУ ГПС являются общими для ГПС в целом. В зависимости от выбранного уровня автоматизации ГПС и состава функции АСУ определяют сокращение цикла подготовки производства и снижение потерь в результате использования оптимальных принципов оперативно-календарного и перспективного планирования, что выражается в уменьшении объемов незавершенного производства.
Основными функциями ГПС являются производственные и информационные. Производственные функции реализуются технологической подготовкой в автоматизированном или автоматическом режиме технологического процесса по изготовлению определенной номенклатуры деталей. Информационная функция реализуется подсистемами управления ГПС процессов сбора, обработки и выдачи информации о состоянии оборудования ГПС, ее составляющих элементов и результатах производства смежным управляющим подсистемам сервиса и технологической подготовки производства.
Оборудование, применяемое в ГПС. Для обработки корпусных деталей в основном применяют многоцелевые станки фрезерно-расточной группы с ЧПУ типа обрабатывающего центра (ОЦ). Такое оборудование имеет автоматизированную загрузку и разгрузку заготовок, снабжено одним или двумя инструментальными магазинами. Данное оборудование должно легко встраиваться в ГПС и гарантировать возможность его работы со средствами автоматизации, вспомогательных процессов и возможность получения информации, необходимой для управления производственным процессом.
На рис. 9.25 представлен гибкий производственный модуль модели ИС 500 ПМ1Ф4-01, предназначенный для обработки корпусных деталей из чугуна, стали, алюминиевых и магниевых сплавов в диапазоне размеров от 50 х 50 х 50 мм до 700 х 700 х 700 мм. Станок снабжен шпиндельной бабкой 1 с серводвигателем, позволяющим бесступенчатое изменение частоты вращения шпин-414
; Рис. 9.25. Гибкий производственный модуль Ивановского завода тяжелого машиностроения
[деля. Шпиндель имеет возможность перемещаться в трех взаим-но перпендикулярных направлениях х, у, z-
Цепной инструментальный магазин 2 (рис. 9.25) расположен на своем фундаменте. Манипулятор смены инструмента установлен на корпусе магазина. Предусмотрена установка многошпиндельных угловых головок с переменным кодированием инструмента. Имеются две модификации магазина: на 64 и 100 инструментов. Это позволяет производить обработку плоских поверхностей, гладких и резьбовых отверстий, а также обточку у корпусных деталей торцов, цилиндрических выступов, выточек, наружных канавок. Обрабатываемые детали устанавливаются на палеты 3 (спутники).
ГПМ ИС 500 ПМ1Ф4-01 (Глобус-центр) позволяет осущест-’ влять фрезерование сложных профилей с использованием линейной и круговой интерполяции. Оснащение ГПМ данных моделей шлифовальной головкой диаметром до 150 мм значительно расширяет их технологические возможности, так как позволяет выполнять финишные операции.
В настоящее время Ивановский завод тяжелого машиностроения разработал новую гамму высокопроизводительных
415
Рис. 9.26. Схемы гибких производственных модулей:
а — с двумя челночными рабочими столами; 1 — магазин с инструментами; 2 — ОЦ, 3 — рабочий стол; б — с автоматизированным загрузочным устройством; I - магазины с инструментами; 2— ОЦ; 3 — стол станка, 4 — автоматизированное загрузочное устройство (шаговый конвейер-накопитель палет); в — ОЦ 1 с промышленным роботом 2; 3 — кассета с заготовками; 4 — конвейер-накопитель; 5 — робокар; г — с круговым транспортным накопителем; J— магазин с инструментами; 2 — ОЦ; 3 — палеты, 4 — накопитель; д — со стендовым накопителем веерного типа; I — ОЦ; 2 — поворотный стол-перегружатель; 3 - накопитель; е — с наращиваемым линейным накопителем; 1 — магазин с инструментом, 2 ~ ОЦ, 3 — палеты; 4 — накопитель, ж — со стендовым наращиваемым накопителем веерного типа' I — магазин с инструментом; 2 — ОЦ, 3 — палеты; 4 — накопитель, з — с автоматизированными системами смены инструмента из магазина I в шпиндельные головки из накопителя 3; 2 — ОЦ, 4 —- перегружатель головок; 5 — поворотный стол станка, 6 — рельсовая тележка-загружатель заго-
, товок; 7 — стенд-накопитель палет с заготовками
прецизионных станков ИС 630 (Супер-центр) с четырьмя одновременно управляемыми осями, предназначенных для обработки особо сложных корпусных деталей и позволяющих повысить производительность обработки в 3 раза по сравнению с обычными обрабатывающими центрами.
На рис 9.26 представлены различные схемы гибких производственных модулей. Такие ГПМ можно применять как для обработки отдельных деталей, так и для групповой обработки. Эффективность применения ГПМ определяют годовыми затратами на изготовление деталей, зависящими от годовой программы их выпуска N.
На рис. 9.27 представлены зависимости годовых приведенных затрат на групповую обработку десяти корпусных деталей с различной степенью концентрации переходов обработки.
Как видно из графика, с увеличением годовой программы годовые затраты возрастают. Первый вариант характеризуется применением одношпиндельных обрабатывающих центров (ОЦ) простой компоновки. Второй вариант предусматривает обработку на многошпиндельном ОЦ с применением сменных многошпиндельных инструментальных коробок или на многопозиционных агрегатных станках. Наивыгоднейший третий вариант предусматривает обработку данных деталей на гибкой станочной линии, состоящей из двух многопозиционных переналаживаемых станков, объединенных единой транспортной системой, автоматизированными устройствами смены палет и инструментов, автоматизированной системой управления, позволяющей осуществлять автоматизированный переход на изготовление новых изделий при помощи ЭВМ. Такие станочные линии, состоящие из двух станков типа ОЦ, образуют гибкие автоматизированные участки (ГАУ), схемы которых представлены на рис. 9.28.
Рис. 9.27. Зависимость годовых приведенных затрат на обработку группы деталей от степени концентрации переходов на станках и суммарной программы выпуска:
I _ n = 50 000, 2 —N = 130 000; J—Л= 475 000
417
27 - 5935
в
Рис. 9.28. Схемы гибких автоматизированных участков'
а — с единым автоматизированным загрузочным устройством для смены палет, 1, 2 — ОЦ, 3—рельсовая тележка-перегружатель палет, 4, 5—стенды с палетами, закрепленными за каждым станком, б —с единым автоматизированным перегрузочным устройством смены палет и инструмента, 7, 2 — ОЦ, 3 — накопитель инструмента, 4 — промышленный робот смены инструмента, 5 — рельсовая тележка-перегружатель палет, б — палеты для любого станка участка, 7— позиции загрузки-разгрузки палет, 8 — АСУ распределения загрузки, в — с контрольно-измерительной машиной и установкой для мойки деталей, I, 2 — ОЦ, 3 — стол-перегружатель палет, 4 — установка для удаления стружки и мойки деталей и пале г, 5—контрольно-измерительная машина, б—конвейер-накопитель палет, 7—станция загрузки-разгрузки палет заготовками и деталями, 8 — промышленный робот-кантователь заготовок, 9 - ЭВМ участка
Рис. 9.29. Планировка гибкой автоматизированной линии для обработки 43 типов крышек автомобильных генераторов
1 — однокоординатные силовые головки с ЧПУ (7 шт), 2— трехкоординатные силовые головки с ЧПУ (9 шт), 3—автооператоры для автоматической замены инструментов, 4—спутник с деталями, 5—станция установки заготовок и снятия готовых деталей.
б — магазины с 80 заменяемыми инструментами
Большой интерес представляют гибкие автоматизированные линии (ГАЛ) На рис. 9.29 показана гибкая автоматизированная линия для обработки в спутниках 43 различных по конструкции
крышек подшипников автомобильных генераторов, имеющих
одинаковые поверхности базирования.
Время переналадки данной линии на обработку другого типа крышки, изготовленной из алюминиевого сплава, составляет 6—10 мин, цикл обработки деталей в среднем — 6 с; при непрерывной работе линия обеспечивает обработку 600 деталей в час. Инструменты заменяют два портальных робота. Каждый из них доставляет из магазина в зону обработки необходимый инструмент и устанавливает его на силовой головке по заданной программе управления ГАЛ.
Особый интерес представляют многофункциональные ГАЛ с комбинированной (переменной) структурой (рис. 9 30) Используемые модули и обладающая высокими возможностями управляющая система позволяют достигнуть оптимальной гибкости применительно к таким специфическим требованиям, как число заготовок, обрабатываемых в единицу времени, различный объем партий заготовок и различное время цикла обработки. В каждом случае используются наиболее рациональная структура технологического процесса и методы обработки деталей. На одном уровне использования ГАЛ работает как гибкая станочная линия с рабочим тактом поточной линии. Этот уровень используют для обработки большой партии изделий с коротким циклом
27*
419
Рис. 9.30. Планировка гибкой автоматической линии с переменной структурой
обработки. Система работает в этом случае как обычная автоматическая линия. На другом уровне ГАЛ работает в гибком режиме загрузки модулей, используемых как отдельные станки. Этот уровень используется, когда обрабатывают мелкие партии заготовок и необходимо более продолжительное время их обработки. В этом случае гибкие модули работают автономно и при неисправности одного из модулей другие могут продолжать работу. Линия состоит из трех ГПМ 1, моечной машины и автоматической трехкоординатной измерительной позиции. Портальный робот 2, оснащенный тремя руками с захватами и автоматическим устройством смены захватов, предназначен для транспортировки заготовок 3, палет 4 и инструментальных головок 5 на станцию загрузки 6. Со станции загрузки индуктивная робототе-лежка 7 перемещает их на станцию загрузки 8 ГПМ.
Управление гибкой системой осуществляется следующим образом. Внутри линии все функции управления: транспортировка палет и заготовок, работа портального робота и смена захватов, работа склада заготовок, их транспортировка — выполняются системой управления высшего уровня с программой, хранящейся в памяти. Кроме того, робототележка также получает команды от системы управления и дает подтверждения об их выполнении. Система управления включает функции выбора, которые определяют, какие заготовки, когда и где будут обрабатываться, 420
дает сигнал о пуске ГПМ, начале обработки. По окончании обработки ГПМ запрашивают новые данные. На экране центрального пульта управления системы можно вызвать следующую информацию: загруженность накопительных позиций, сигнализацию неисправностей, данные о станках, программу автоматического режима работы транспортных устройств.
Для того чтобы обеспечить обработку всех поверхностей деталей на станках типа ОЦ, включая сложные, расположенные пол
различными углами в пространстве, недостаточно взаимных перемещений деталей и инструментов в трех перпендикулярных направлениях (и одного вращательного движения, которое, как правило, совершает режущий инструмент). Поэтому возникла необходимость усложнить структуру процесса обработки за счет дополнительных движений, элементов системы станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД). Были созданы ОЦ с расширенными технологическими возможностями, где инструмент, по-
мимо главного — вращательного движения и движения подачи вдоль своей оси мог совершать перемещения по двум осям в плоскости, перпендикулярной направлению его подачи. При этом обрабатываемая
деталь получила возможность вращаться на необходимый угол относительно собственной оси. При этом приспособление, в котором крепится деталь, также может устанавливать ее под нужным углом к инструменту (рис. 9.31).
Возможность обработки различных поверхностей без перестановки детали на станке существенно повысила непрерывность процесса, однако работа велась, как и ранее, каждым инструментом последовательно.
Рис 9.31. Сочетание движений элементов системы станочных систем, обеспечивающих обработку поверхностей деталей на ОЦ фирмы «Stama» (Германия) при использовании различных методов, обработки поверхностей -
421
В последние годы спроектированы и применяются рядом зарубежных фирм ОЦ для одновременной обработки нескольких деталей. В 2002 г. на международной выставке станков в Дюссельдорфе (ФРГ) демонстрировался двухшпиндельный ОЦ (рис. 9.32) с автоматической загрузкой заготовок, который обрабатывал одновременно как одинаковые, так и разные корпусные детали.
Палеты с предварительно установленными заготовками доставляются на станции загрузки—выгрузки, которая выполнена в виде отдельного модуля. Портальный манипулятор переносит заготовку в спутник, где она базируется и закрепляется перед подачей спутника в зону обработки. В зависимости от типа заготовок спутник автоматически устанавливается и фиксируется в одной из рабочих позиций, где осуществляется его обработка необходимыми инструментами по соответствующей программе.
Рис 9.32. Станочный центр фирмы «Alfing» (ФРГ) для одновременной обработки двух одинаковых или разных деталей
/ — зафузочно-разгрузочный модуль, 2— палеты с заготовками, 3— портальный манипулятор, 4—двухшпиндельный ОЦ, 5—спутник с ориентированными и закрепленными заготовками, 6— рабочие шпиндели, 7— инструментальные магазины, 8— система управления ОЦ, 9— информационно-диагностический центр
422
Г После того как на одной из рабочих позиций полностью заканчивается процесс обработки, готовые детали снимают со спутника и транспортируют на сборочный участок (или на склад), а в спутник устанавливают новые заготовки для обработки.
Р За один и тот же промежуток времени (например, за рабочую смену) эффективность работы такого ОЦ повышается примерно вдвое за счет параллельной обработки двух деталей, причем степень гибкости не снижается по сравнению с одношпиндельной компоновкой такого же ОЦ.
В связи с тем, что затраты вспомогательного времени на таких станках минимальны, время между окончанием обработки предыдущей поверхности и началом обработки следующей, с ^учетом замены инструмента, т. е. время «от стружки до стружки» составляет 1,5—2,5 с, а скорости резания достаточно высоки. Затраты на полную обработку сложных деталей, например корпусных, приемлемы для мелкосерийного и серийного выпусков продукции. При выпуске автомобилей крупными сериями в автоматических линиях (ГПС) используют несколько одинаковых, параллельно работающих ОЦ (см., например, комплексную систему на рис. 9.12). Увеличение выпуска изделий за счет параллельно работающих одинаковых ОЦ стоит дорого, а большие возможности их автоматической переналадки используются очень мало. Высокая цена автоматического оборудования и незначительное использование возможностей его переналадки при массовом производстве детали снижают экономическую эффективность его применения. Поэтому даже при проектировании обрабатывающих центров некоторые фирмы начинают применять принципы многоинструментальной и даже многопозиционной обработок деталей на одном станке и при этом не снижать существенно возможности его автоматической переналадки на обработку других деталей за счет применения мехатронных устройств числового программного управления.
Пример такой разработки (рис. 9.33) был продемонстрирован на международных станкостроительных выставках в Ганновере (ФРГ) в 2001 г. и Чикаго (США) в 2002 г.
Основу компоновки такого ОЦ составляет 4-позиционный поворотный стол / с установленными на нем зажимными приспособлениями 2, которые могут использоваться как стационарные, так и вращаться во время обработки деталей.
423
Рис. 9.33. Схема обрабатывающего центра нового поколения для параллельно-последовательной обработки деталей на нескольких позициях
На каждой рабочей позиции установлены обрабатывающие многошпиндельные головки 3 с инструментами для обработки деталей в горизонтальном и вертикальном направлениях. Использование на станке двигателей постоянного тока с регулируемой частотой вращения и гидравлических механизмов подачи позволяет бесступенчато изменять режимы обработки при переходе на изготовление новой детали. Револьверные головки дают возможность использовать разные инструменты для разных деталей, обрабатываемых на станке.
Гибкость данного оборудования существенно меньше, чем одношпиндельных ОЦ, но эффективность их применения при обработке группы подобных деталей серийного или переналаживаемого крупносерийного производства будет более высокой за счет концентрации операций обработки деталей на станке.
424
Такого типа оборудование может в будущем найти достаточно широкое применение в автомобильной промышленности, сочетая в себе гибкость одношпиндельных обрабатывающих центров и эффект параллельно-последовательной концентрации операций, характерный для многошпиндельных станков и многопози-' ционных линий соединенного массового производства.
Для обработки сложных корпусных деталей: блоков цилиндров, картеров КПП, корпусов компрессоров, корпусов газотурбинных двигателей — перспективно применение станков второго поколения — трипоидов и гексапоидов.
Особенность таких станков: они снабжены тремя (трипоид) или шестью (гексапоид) шарнирно соединенными телескопическими штангами со встроенными линейно-измерительными системами. Шпиндель-мотор с инструментом устанавливается ла телескопические штанги. Таким образом, станки позволяют одновременно обрабатывать несколько поверхностей. Кроме того, станки снабжены инструментальными магазинами. Смена инструментов производится автоматически.
У трипоида (рис 9.34) стол станка неподвижен, а телескопические штанги со шпинделями-моторами концентрично перемещаются по круговой траектории относительно стола с закрепленной на нем заготовкой. Такая компоновка позволяет обеспечивать наклон шпинделей вплоть до получения горизонтального положения и осуществлять обработку с управлением по пяти
осям координат.
Гексапоид снабжен шестью телескопическими штангами.
Общий вид станка представлен на рис. 9.35. Шестистержневая система удерживает в рабочем пространстве платформу с инструментами, перемещая ее одновременно и согласованно по шести степеням свободы (шесть координат относительно осей х, у, г с поворотом вокруг каждой оси) На платформе все шесть стержней связаны посредством безлюфтовых шарниров. Кинематическая схема станка представлена на рис. 9.36. Опорой каждого стержня служит силовая рама с фрикционно-безлюфто-выми приводами. Перемещение каждого стержня отслеживается лазерными ин-
Рис. 9.34. Кинематическая схема трипоида
425
Рис. 9.3S. Общий вцд гексапоида
терферометрами с дискретностью 1 мкм. Данные передаются в компьютер, который в реальном режиме управляет приводом. Работа штоков на сжатие и растяжение (рис. 9.37) обеспечивает высокую жесткость при обработке изделий.
Постоянная база в виде точечных шарниров, использование лазерной интерферометрической системы, выполнение измерений от конструкторских и технологических баз обеспечивают высокоточную обработку деталей.
Точность позиционирования шпин-дель-моторов относительно обрабатываемых поверхностей по осям х, у, z ~ 0,005 мм, а кругового — от 3 до 7.
Особенности создания ГПС прн групповом методе обработки. При разработке ГПС необходимо учитывать следующие факторы, влияющие на эффективность ее работы:
— выбор наиболее целесообразной номенклатуры деталей;
— разработку оптимального технологического процесса;
I
II
Рис. 9.36. Кинематическая схема гексапоида
426
б
I Pijc. 9,37. Принципиальные структуры работы кинематической схемы гексапоида: В;' а — различные положения платформы гексапоида; б — различные положения рабочих I- стержней с инструментами
| — определение оптимального по технологическим возмож-
к-ностям комплекта оборудования;
। — определение наиболее целесообразного уровня автомати-
I зации производственных процессов;
I — выбор необходимых и достаточных заданному уровню ав-!- томатизации средств и систем оснащения ГПС (транспорт, f склад, погрузочно-разгрузочные устройства и др.).
Следует также учитывать программу выпуска деталей, их се-| рийность, которые определяют размеры партий деталей, количе-| ство запусков и обусловливает технико-экономическую целесо-| образность обработки на многоцелевых станках.
f Выбор номенклатуры деталей тесно связан с вопросом повы-I шения их технологичности. Оценка технологичности конструк-I ции деталей — важный этап технологической подготовки гибко-if го производства.
| Комплекс критериев технологичности деталей, обрабатываемых г на станках с ЧПУ в ГПС, условно можно разделить на две группы.
[ Первая группа критериев определяет общие требования к defy тали:
| J обоснованный выбор материала детали;
| J обеспечение достаточной жесткости конструкции;
f J наличие или создание искусственных технологических баз, Г используемых при обработке или захвате заготовки промышлен-I ным роботом;
| J сокращение до минимума числа установок заготовки при
I обработке;
Г J обеспечение высокой жесткости технологической системы
г (заготовка — приспособление — инструмент);
427
J возможность обработки максимального числа поверхностей с одной установки.
Во вторую группу входят критерии технологичности, относящиеся к обрабатываемой поверхности. Конструкции деталей характеризуются большим многообразием размерных параметров аналогичного функционального назначения, относительное сокращение которых позволит повысить технологичность конструкции деталей и обеспечить обработку выбранной номенклатуры на одной ГПС.
Особенностью обработки конструкции деталей на технологичность применительно к условиям ГПС является требование сквозной унификации обрабатываемых и базовых поверхностей для всей номенклатуры как единого целого, а не для каждой детали в отдельности
Это позволит сократить многообразие инструмента, использовать типовые подпрограммы, т. е. сократить затраты на подготовку производства.
Особенности построения технологических процессов в условиях ГПС. Один из наиболее важных факторов, влияющих на эксплуатационную эффективность ГПС, — разработка оптимального варианта технологического процесса под подобранную номенклатуру деталей. При разработке технологии обработки деталей решают ряд задач от формирования структуры и состава операций и переходов до определения значений режимов резания и нормирования операций.
Технологический процесс должен иметь общность технологического маршрута или набор технологических деталеопера-ций, обеспечивающих обработку любых деталей; единство технологических баз; оптимальную загрузку оборудования; минимальные потери на переналадку при переходе с одной детали (группы деталей) на другую. ГПС для групповой обработки корпусных деталей необходимо разрабатывать в несколько этапов: на первом этапе следует проанализировать номенклатуру деталей, обрабатываемых в цехе, и сгруппировать их. Критерий отбора — классификационные признаки, позволяющие обрабатывать эти детали в ГПС (их технологичность). В свою очередь, критериями технологичности деталей с точки зрения реализации групповой технологии в конкретных производственных условиях для деталей группы должны быть приняты:
J размеры базовых поверхностей;
J одинаковость схемы установки; '
428
J унификация размеров обрабатываемых поверхностей;
J возможность применения унифицированной технологической оснастки;
J общность применяемых при выполнении каждой детале-операции методов обработки и инструмента, наладки оборудования для всех деталей, входящих в данную деталеопера-цию;
J возможность разработки единой управляющей программы для станков с ЧПУ. Все это позволяет сократить многообразие обрабатываемых поверхностей, количество режущих инструментов, унифицировать ряд деталеопераций
На втором этапе детали необходимо кодировать по конструктивно-технологическим признакам, разделить их на группы и разработать групповые технологические процессы.
При выделении групп корпусных деталей для обработки на многоцелевых станках необходима некоторая специфическая информация — о признаках, наиболее существенно влияющих на группирование обрабатываемых деталей, построение процесса обработки и выбор технологических возможностей оборудования.
Таких признаков в общем случае шесть, число обрабатываемых сторон основных (классных) отверстий, крепежных и гладких не основных отверстий; сторон их размещения, наличие специальных поверхностей (наружных цилиндрических, фасонных и расположенных под определенным углом); годовая программа выпуска деталей.
С учетом кода классификационных групп деталей основных признаков и шести предлагаемых признаков МГТУ МАМИ совместно с НИИТавтопромом разработали структуру кода, позволяющую объективно, с учетом технологических возможностей оборудования, применяемого в гибких переналаживаемых системах, решать задачу группирования деталей. Коды деталей являются исходной информацией для их группирования с помощью ЭВМ. Выявление деталей с подобным признаком позволяет не только объединить их в группы, но и определить деталь — представитель каждой группы, которая включает основные конструктивно-технологические параметры всей группы (рис. 9.38).
Выделение деталей-представителей дает возможность разработать групповые технологические процессы их полного изготовления на ГПС. При этом все детали, входящие в группу,
429
Рис. 9.38. Основные конструктивно-технологические параметры группы
имеют общий маршрут обработки, каждая операция построена по принципу групповой технологии. Однако могут быть разновидности построения деталеоперапий, когда отдельные детали пропускают ряд операций по маршруту или отдельные операции являются общими для нескольких групп деталей. При этом не исключается возможность выполнения индивидуальных (выносных) операций.
На следующем этапе формируют состав и производственно-технологическую структуру ГПС, т. е. определяют оптимальный по технологическим возможностям комплект оборудования и типаж, выбирают наиболее целесообразный уровень автоматизации производственного процесса, средства и системы оснащения ГПС.
На основании всей предварительной работы была сформирована производственно-технологическая структура комплекса для обработки 26 наименований корпусных деталей автомобиля БелАЗ, разработанная НИИТавтопромом совместно с МГТУ МАМИ.
Комплекс состоит (рис. 9.39) из автоматизированного склада 1, откуда заготовки с помощью штабелера 2 грузоподъемностью 0,5 т подаются на двухсекционный промежуточный накопитель 430
Рис. 9.39. Структура комплекса для обработки корпусных деталей
3. Отсюда они перемещаются робототележкой 4 на односекционный накопитель 5. Затем манипулятор 6 подает заготовки на станции загрузки 7 к приставочному накопителю 8 и к ленточному транспортеру 9, который подает их на позиции обработки, где установлено пять станков 10 типа ОЦ с ЧПУ, моечная машина 11 и контрольное оборудование 12. Инструмент в магазины станков автоматически подается с приставочных накопителей 13. Обработанные детали поступают на транспортер 14 с приводом 15 и станцию разгрузки 19.
Затем манипулятор 16 перемещает их на односекционный накопитель готовых деталей 17, откуда они подаются на промежуточный накопитель 18 и на склад готовых деталей. Работой станков и транспортными системами управляет ЭВМ, размещенная в специальном помещении.
Эффективность использования ГПС определяется рядом критериев. Для гибкого производства особый интерес представляют критерии, позволяющие оценивать совокупные затраты на переналадку оборудования и незавершенное производство.
Первые определяются по трудоемкости переналадок на партию заготовок, заработной плате наладчика, годовой программе выпуска деталей и размеру партии их выпуска. Вторые рассчитываются с учетом как цикловых (детали и заготовки, находящиеся на рабочих позициях, транспортерах, пунктах контроля), так и складских заделов (заготовки и детали, находящиеся на складе, ожидающие обработки или сборки). Затраты на переналадку оборудования и затраты в незавершенном производстве зависят прежде всего от размера партии запуска.
Основным критерием выбора оптимальной партии запуска следует считать минимум суммарных затрат на переналадку оборудования и в незавершенном производстве. Причем анализ показывает, что для конкретных деталей этот минимум соответствует 5—40 деталям в партии.
Размер партии деталей влияет также на длительность производственного цикла, а число партий в группе — на последовательность запуска деталей в обработку и выпуска их на сборку.
Для рассматриваемой ГПС данная задача решалась применительно к таким корпусным деталям, как тройник маслопровода, корпус обратных клапанов, корпус распределителя, корпус редуктора и т. д. Сам процесс решения задачи состоял в переходе множества всех возможных перестановок к более мелким мно-432
:ествам и вычислении для них нижней границы времени на пе-емещение спутника между станками.
Гибкие производственные системы с управлением от ЭВМ педует рассматривать как первый этап на пути создания комплексно-автоматизированных производств, а в перспективе — автоматизированных заводов, работающих в ночное время по безлюдной технологии.
9.8. Обработка статора роторно-поршневого двигателя
В последние годы все более широкое распространение находят роторно-поршневые машины и прежде всего роторно-поршневой двигатель РПД Ванкеля. Основными преимуществами роторного двигателя по сравнению с поршневым являются: простота конструкции (рис. 9.40). широкий диапазон мощностей двигателя при возможности унификации и взаимозаменяемости его узлов и деталей, работоспособность на низкооктановых топливах, а также возможность его использования в многотопливной модификации (без изменения степени сжатия). Кроме этого, в связи с более высокой температурой выхлопных газов у 'ПД лучшие условия для их дожигания. При производстве ро-
Рис. МО. Раскладка деталей РИД Ванкеля и поршневого двигателя
28 - 5935
433
торных двигателей отпадает необходимость изготовления столь сложных, с точки зрения механической обработки, деталей: коленчатый вал, шатун, поршень, распределительный вал, детали газораспределительного механизма.
Подобно блоку цилиндров в поршневом двигателе, статор РПД (рис. 9.41) является базовой деталью двигателя. К нему предъявляется целый ряд требований, обусловленных специфическими особенностями РПД.
Рис. 9.41. Статор РПД Ванкеля
434
В настоящее время автомобильные РИД имеют жидкостную систему охлаждения, которая предопределяет наличие у статора водяной рубашки. В зависимости от схемы циркуляции жидкости — радиально-круговой или аксиально-петлевой — отливки статора выполняются либо коробчатого сечения, либо с открытой водяной рубашкой.
Производство статоров из алюминиевых сплавов предопределяет необходимость защиты рабочей поверхности статора от износа путем нанесения износостойкого покрытия. В качестве материалов покрытия наиболее часто применяют хром, никель с внедренными в него частицами карбидов, различные карбидные композиции, наносимые методом металлизационного напыле-1ия. Наряду с материалом покрытия весьма важное значение гмеет и его толщина. Установлено, что минимальная толщина вердого износостойкого покрытия, нанесенного на основу из люминиевого сплава, должна быть более 100 мкм, поскольку при меньшей толщине слоя на рабочей поверхности статора во время работы двигателя образуются волнообразные поперечные гериодические углубления, резко снижающие мощностные по-азатели двигателя.
С целью уменьшения толщины износостойкого покрытия >ыл разработан способ пересадки твердой подложки. Пересажи-аемая подложка определенной толщины из высокоуглероди-той стали напыляется на наружную поверхность металлическо-о стержня. Затем этот стержень подогревается и переносится в итьевую машину, в которой отливается корпус статора. В течение кристаллизации стальная подложка и алюминиевый сплав вязываются, образуя высокопрочное соединение.
Важным преимуществом этого процесса является то, что он юзволяет уменьшить слой гальванопокрытия до 50 мкм и заме-[ить чистовое шлифование хонингованием.
Недостатком этого процесса является повышение максимальной температуры стенки статора примерно на 20° С по равнению с осаждением толстослойного покрытия.
Осажденный слой имеет толщину 350—400 мкм, при обработке снимается припуск около 150 мкм. Таким образом, изно-остойкое покрытие имеет толщину 200—250 мкм, что обеспе-1ивает моторесурс не менее 100 тыс. км.
Из многих возможных карбидных материалов, обладающих хорошими износостойкими характеристиками, фирма «Аутборд Марине» в качестве покрытия рабочей поверхности статора применяет композиционное покрытие на базе карбидов вольф-
28*
435
рама. Это покрытие наносится на алюминиевую поверхность статора методом плазменного напыления на автоматической установке фирмы «Метос».
В результате комплексных исследований установлено, что идеальная рабочая поверхность статора должна отвечать следующим требованиям:
— в паре с материалом радиальных уплотнительных пластин ротора поверхность должна обеспечивать низкий коэффициент трения;
— поверхность должна хорошо смачиваться маслом и удерживать его;
— материал поверхности должен иметь малый модуль упругости.
Кроме того, максимальная температура рабочей поверхности статора в процессе работы двигателя не должна превышать 140° С из условия сохранения масляной пленки (практически температура поверхности в зоне сгорания у существующих РПД достигает 240° С).
Не все материалы покрытий, применяющиеся в настоящее время, удовлетворяют этим требованиям. Например, гладкий хром неудовлетворительно смачивается маслом и почти не удерживает его, поэтому при хромированной поверхности статора в качестве радиальных уплотнений, как правило, применяют са-мосмазываюшиеся материалы, содержащие графит. В настоящее время наибольшее распространение нашел способ пересадки твердой подложки с последующим гальванопокрытием хромом.
Делаются попытки решить эту проблему путем запрессовки в статор тонкостенной гильзы с нанесенным износостойким покрытием. Однако в данном случае для обеспечения стабильности запрессовки диаметральные размеры статора и гильзы необходимо выдерживать с высокой степенью точности. Подобное решение исключает операции гальванопокрытия статора и механической обработки покрытия, что резко снижает трудоемкость изготовления статора и предопределяет перспективность этого метода, особенно для массового производства.
Как правило, рабочая поверхность статора ротационной машины имеет профиль внешней эквидистанты укороченной эпитрохоиды, что обусловлено наличием радиальных уплотнений ротора. К точности выполнения этой поверхности предъявляются высокие требования. Так, для статора РПД Ванкеля отклонения формы кривой задаются в пределах +15 мкм, отклонения размера большой оси эпитрохоиды +0,1 мм, допуск на разность 436
максимального и минимального диаметров 0,03 мм. Не менее важно и получение высокого качества поверхности, причем особое значение имеет отсутствие волнистости рабочей поверхности статора, оказывающей существенное влияние на долговечность уплотнений и мощностные показатели двигателя, особенно при высоких оборотах.
В связи с неравномерностью нагрева статора в процессе работы РПД происходит искажение геометрической формы рабочей поверхности. Это отрицательно сказывается на работе двигателя и ставит задачу создания статора с модифицированным рабочим профилем, принимающим требуемую геометрическую форму только после достижения определенной рабочей температуры.
Роторно-поршневые двигатели Ванкеля, выпускаемые зарубежными фирмами, и опытные образцы аналогичных двигателей, созданные в нашей стране на ВАЗе, имеют статор с рабочей поверхностью, имеющей форму внешней эквидистанты укороченной двухдуговой эпитрохоиды. В последнее время появляются сведения о разработках РПД, статор которого имеет рабочую i поверхность в форме внешней эквидистанты укороченной трехдуговой эпитрохоиды. Многие фирмы выпускают в больших .объемах ротационные компрессоры и насосы, имеющие про-j филь рабочей поверхности статора в форме внешней эквдистан-:ты укороченной однодуговой эпитрохоиды.
Методы обработки сложных криволинейных профилей статоров ротационных машин. Из всех возможных методов механической обработки подобных криволинейных поверхностей на се- годняшний день наибольшее распространение получили:
— копирная обработка;
— бескопирная обработка на станках с ЧПУ;
— протягивание профильными протяжками.
Копирная обработка. В связи с ограниченным выпуском, высокой стоимостью и низкой производительностью специальных станков для обработки подобных криволинейных поверхностей на заводах зарубежных фирм наиболее распространен копирный метод обработки. Каждая фирма-изготовитель по-своему решает ‘эти задачи.
Последней разработкой фирмы «Три-Ординэйт» является схема копирной обработки, представленная на рис. 9.42. В данном случае система включает в себя копир 1, обкатной ролик 2, два прижимных ролика ,3 и 4, которые поддерживают нормаль-
Рис. 9.42. Схема обработки рабочей поверхности статора РПД Ванкеля копир-ным методом
ное положение режущего инструмента 5 по отношению к обрабатываемой поверхности детали 6. Помимо общеизвестных недостатков, присущих копирному методу, в данном случае необходимо применение двух дополнительных прижимных роликов, каждый из которых требует наличия индивидуального копира, что существенным образом снижает точность обработки и усложняет конструкцию.
Для обеспечения точности обработки станок снабжен гидравлическим приводом шпинделей, гидростатическими подшипниками, специальной системой охлаждения, устройством активного контроля, программируемым контроллером, что значительно повышает его стоимость.
Станки, использующие копирный метод обработки, позволяют производить операции фрезерования, шлифования или растачивания рабочей поверхности статора с любыми подачами, причем возможна обработка практически любых профилей, в том числе и модифицированных, что является важным достоинством этих станков.
438
Производительность копирных станков невысокая. При расточке статора двигателя Ванкеля обработку осуществляют за два прохода. Один проход при фрезеровании занимает около 5 мин. Это объясняется тем, что при копириом методе необходимое относительное движение режущего инструмента и заготовки моделируется копиром. При этом в связи с большими массами рабочих органов этих станков скорость движения обкатного ролика по копиру ограничена, поскольку возникающие при этом инерционные силы могут привести к размыканию кинематической цепи станка или к недопустимым деформациям щупа. При то-арной обработке это ведет к ограничению скорости резания, то снижает производительность и не обеспечивает хорошего ачества поверхности. При шлифовании это ведет к прижогу шлифуемой поверхности, появлению микротрещин (особенно дри внутреннем шлифовании криволинейных поверхностей). Существенным недостатком копирного метода является то, что Профилирование рабочей поверхности копира ведется дискрет-Но (копиры обычно изготавливают на станках с программным ^правлением), что приводит к образованию волнистости, совершенно недопустимой для рабочей поверхности статора.
Бескопирная обработка. Все вышесказанное предопределяет еобходимость создания специальных бескопирных (кинемати-еских) станков для обработки криволинейных поверхностей, меющих профиль эпитрохоид или их эквидистант.
При бескопирном методе обработки обрабатываемая деталь режущий инструмент связаны кинематической цепью, обеспе-ивающей такое их относительное движение, при котором вос-роизводится заданный профиль детали. При этом может быть беспечено точное или приближенное воспроизведение заданий кривой. В связи с высокой точностью, предъявляемой к еометрической форме рабочей поверхности статора, для ее об-аботки могут быть применимы лишь схемы, обеспечивающие очное воспроизведение кривой.
При бескопирном методе обработки точность будет зависеть павным образом от погрешностей кинематической цепи, свя-ывающей движения инструмента и детали. При этом в большинстве случаев устраняется действие инерционных сил, лими-ирующих скорости резания при копирной обработке, что по-воляет существенным образом повысить производительность и ячество обработанной поверхности за счет обработки с опти-ильными режимами резания.
439
Многие фирмы пытаются решить проблему создания высокопроизводительного и точного оборудования для обработки статора РПД Ванкеля. При этом главными условиями, предъявляемыми к создаваемому оборудованию являются:
— простота конструкции;
— наикратчайшая кинематическая связь детали и режущего инструмента;
— высокая производительность;
— возможность применения стандартного режущего инструмента.
Так, фирма «Глиссон» разработала серию станков для обработки деталей РПД, среди которых — фрезерный и шлифовальный для обработки эпитрохоиды статора. В схеме станка использована как бы. обратная картина работы роторного двигателя, т. е. ротор неподвижен, а статор совершает вращательное и орбитальное движения (рис 9.43). При проектировании системы обкатки станка задаются тремя параметрами диаметром делительной окружности неподвижной шестерни 2R, диаметром делительной окружности шестерни ротора 2R] и величиной эквидистантности кривой г. При этом обеспечивается воспроизведение кривой в форме эквидистанты эпитрохоиды с параметрами:
Рис. 9.43. Схема обработки поверхности статора РПД Ванкеля бескопирным методом
440
е — эксцентриситет кривой (расстояние между центром неподвижной шестерни и центром шестерни ротора);
Е — воспроизводящий радиус (расстояние от геометрическо-о центра ротора до теоретической вершины ротора),
г — величина эквидистантности (расстояние от теоретической эпитрохоиды до действительного контура).
Для обеспечения постоянства положения режущего инстру-гента на нормали по отношению к обрабатываемой поверхно-ти в кинематике станка использовано важное свойство кинема-ики РПД — линия, проведенная через полюс зацепления шес-;рен и теоретическую вершину ротора, всегда нормальна к эпи-рохоидной поверхности в точке касания. Расположение именно а этой оси режущего инструмента обеспечивает возможность омпенсации износа режущего инструмента и обработки кривых различными величинами эквидистантности. Важное достоин-тво этих станков также и в том, что ось инструмента движется ю траектории, параллельной обрабатываемому контуру, что по-воляет ввести кулачковый механизм для обработки модифици-ованных профилей, если это требуется.
Система обкатки станка (рис. 9 44) состоит из двух червячных передач 1 и 2, с помощью которых осуществляется синхро-
9.44. Кинематическая схема бескопирного станка для обработки рабочей поверхности РПД Ванкеля
441
низация вращательного и орбитального движений стола 5, причем первая приводит стол во вращение относительно оси статора, а вторая — относительно оси ротора. Согласование качания режущего инструмента 4 с движением стола 3 осуществляется приводом 5. Таким образом, стол вращается по часовой стрелке и совершает планетарное движение против часовой стрелки вокруг неподвижной оси ротора, которая также является и неподвижной осью стола 3. Скорость вращения стола в 2 раза меньше скорости его планетарного движения. Для обеспечения планетарною движения стола применена специальная плавающая муфта, состоящая из плавающей шпонки 6, двух неподвижных шпонок 7 и 8, а также вала привода 9. Скорость вращения заготовки 10 в течение поворота на 360° меняется, чем обеспечивается стабилизация продольной подачи на всем протяжении обрабатываемого профиля. Инструментальный шпиндель монтируется в гильзе корпуса 11, расположенной на качающейся опоре 12. Привод осуществляется от электродвигателей 16 и 17 через вал 15, кулачковый механизм 14 и механизм подачи 13.
Основные недостатки станка:
— сложное движение статора в процессе обработки;
— многозвенность кинематической цепи, связывающей движение заготовки и качание режущего инструмента;
— сложность кинематики и настройки.
Все это предопределяет высокие требования к точности изготовления составляющих звеньев кинематической цепи, что существенно повышает стоимость станка. Производительность станка невысокая. При фрезеровании один проход занимает 5 мин, при шлифовании на окончательную обработку затрачивается 3 мин.
На основе теоретических исследований, проведенных в МГТУ МАМИ, разработана и запатентована кинематическая схема станка для бескопирной обработки криволинейных поверхностей, имеющих профиль эпи-, гипотрохоид или их эквидистант. Конструкция (рис. 9.45) предусматривает обработку трохоид с числом ветвей до шести, однако принципиально за счет замены шестерен в коробке передач может быть получена кривая с любым числом ветвей.
Станок состоит из станины ?, на которой установлена коробка скоростей 2 и инструментальная бабка 3, имеющая возможность перемещаться по направляющим стола 4 перпендикулярно оси вращения детали с помощью микровинта 5. В коробке скоростей размещен шпиндель изделия 6 с планшайбой 7 и регулировочным кольцом 8, на котором базируется обрабаты-442
/ 43 15 16 14 18 12 19 36 3 4 23 22 21 20 28 30 31 25 34
2 13 6 17 10 И 7 8 9 35 26 24 5 27 29 32 33
Рис. 9.45. Кинематическая схема станка для бескопирной обработки профилей, описанных эпи-, гипотрохоидами и их эквидистантами
ваемая деталь 9. На шпинделе 6 жестко закреплены две шестерни 10 и 77, имеющие возможность входить в зацепление с блоком шестерен 12, свободно установленным на промежуточном валу 13. На этом же валу установлен и второй блок шестерен 14, который может входить в зацепление с шестернями 15, 16 и 77, закрепленными на валу 18, который связан карданно-шлицевой передачей 19 с приводным валом 20 инструментальной бабки 3. На приводном валу 20 на шпонке размещен блок шестерен 21, имеющий возможность входить в зацепление с шестерней 22, установленной на валу 23, или с шестерней 24, установленной жестко на приводном шпинделе 25, на котором установлена и шестерня 26, находящаяся в постоянном зацеплении с шестерней 22. Шестерня 27 закреплена также на приводном шпинделе 25 и находится в постоянном зацеплении с шестернями 28 и 29, причем шестерня 28 установлена на валу 30, на котором закреплен и копир 31, а шестерня 29 установлена на валу 32, на втором конце которого закреплен копир 33. Инструментальный шпиндель 34 располагается в эксцентриковой втулке 35, чем обеспечивается возможность точной настройки станка на заданный эксцентриситет кривой.
Инструментальный шпиндель 34 несет на одном своем конце резец 36, а на втором — кулису с пазом, в который заходит упор 38, установленный на планке 39, размещенной в пазу кронштейна 40, причем при обработке профилей, имеющих геометрическую форму трохоид или их эквидистант, планка фиксируется в определенном положении исходя из условия нахождения упора 38 в воображаемом полюсе зацепления, а при обработке модифицированных профилей — планка в процессе обработки перемещается с помощью копира. При этом для обеспечения постоянного поджима планки 39 к копиру 33 применена пружина 41 с упором 42.
Работа станка осуществляется следующим образом. Вращение от электродвигателя через клиноременную передачу 43 передается на вал 18, через карданно-шлицевую передачу на приводной вал 20, который, в свою очередь, через блок шестерен 21 и шестерню 24 сообщает вращение приводному шпинделю 25. От вала 18 вращение через шестерни 16, 10 и блоки шестерен 14 и 12 сообщается обрабатываемой детали 9.
Таким образом, получаем разнонаправленное вращение детали 9 и режущего инструмента 36. При этом вершина резца опи-шег эпитрохоиду. Кулиса 37 в процессе работы будет совершать колебательное и возвратно-поступательное движения относитель-444
о упора 38, установленного в воображаемом полюсе зацепления, то обеспечит нормальное положение режущего инструмента по тношению к обрабатываемой поверхности. Рабочая подача осуществляется перемещением инструментальной бабки по направ-яюшим станины вдоль оси обрабатываемого изделия.
Также возможна обработка модифицированного профиля абочей поверхности статора с помощью некругло-круглых ко-ес. В этом случае онн вводятся в кинематическую цепь, связы-ающую вращение детали и режущего инструмента.
При обработке гипотрохоид или их эквидистант упор 38 уста-авливается в воображаемый полюс зацепления обката сателлита о шестерне с внутренним зацеплением согласно схеме обработ-и гипотрохоид (см. рис. 9.45). Изменение направления враще-мя режущего инструмента осуществляется путем введения в зацепление блока шестерен 21 с шестерней 22. В этом случае на-[равление вращения детали и режущего инструмента будет оди-аковым и резец опишет кривую в форме гипотрохоиды, а при оответствующем смещении его по нормали — внешнюю или нутреннюю эквидистанту. При обработке модифицированного рофиля планка 39 с упором 38 в процессе обработки участков мо-ифицированного профиля перемещается с помощью копира 31.
Приспособление для контроля точности рабочей поверхности татора РИД. На рис. 9.46 представлены различные кинемати-еские схемы, обеспечивающие воспроизведение кривых в фор-fe эпи-, гипотрохоид или их эквидистант. При выборе схемы онтроля необходимо руководствоваться следующими соображениями:
v'должно обеспечиваться точное геометрическое воспроиз-едение профиля, инерционность системы в данном случае не меет значения;
v'число звеньев цепи, влияющих на точность воспроизведе-ия профиля, должно быть минимальным;
Jось измерительного наконечника в процессе контроля олжна быть нормальна по отношению к контролируемой по-ерхности.
Кроме этого, конструкция должна отличаться простотой, не-олыними габаритами. Желательно, чтобы статор в процессе онтроля был неподвижен. Так же должны обеспечиваться возможность установки прибора на рабочем месте, высокая степень гхнологичности деталей прибора, низкая стоимость, высокая роизводительность измерений при низкой квалификации рабо-ающего.
445
Рис. 9.46. Схема обработки поверхностей, имеющих профиль эйи-, гипотрохоид или их эквидистант
С учетом вышесказанного далее рассмотрена схема, представленная на рис. 9-47. В этой схеме эпитрохоида получается за счет обката сателлита А по неподвижной шестерне Б при заданном передаточном отношении i = 1,2,3.... в зависимости от числа ветвей контролируемой кривой. Для осуществления возможности контроля эквидистантных профилей необходимо расположить ось измерительного наконечника на нормали. Это обеспечивается при расположении оси измерительного наконечника на линии тп, являющейся нормалью к профилю, т. е. перпендикуляром к касательной ab, проведенной к данной точке профиля.
Точность воспроизведения профиля в данном случае будет зависеть от точности расположения сателлита А относительно центра вращения О, кинематической точности зацепления, точности расположения профилирующей точки М на сателлите и точности положения нормали тп.
446
Рис. 9.47. Схема контроля эпитрохоидных кривых
Конструктивно расположение сателлита А относительно цент-а вращения О может быть выдержано с достаточно высокой сте-енью точности, поскольку будет зависеть лишь от точности взаимного расположения посадочных отверстий на осях О и О].
Кинематическая точность зубчатого зацепления будет предо-(ределяться точностью выполнения зубчатого венца шестерни Б [ сателлита А, погрешностями плавности и кинематики. В дан-юм случае для исключения влияния бокового зазора необходимо применять кинематическое замыкание шестерен. При усло->ии выполнения прямозубых шестерен по 6-му классу точности [ри т = 0,5—-! мм по нормам плавности допуск на циклическую югрешность составляет 5,5 мкм. Эту величину в данном случае южно не учитывать, поскольку погрешность, вносимая в изме-юние угла поворота сателлита Д(р, будет незначительна.
Нормальное положение оси измерительного наконечника [редопределяется точностью расположения полюса зацепления
*Р, т. е. точностью установки кулисы* - •
447
Из анализа схемы становится очевидным, что условие обеспечения точности контроля рабочей поверхности статора предопределяется точностью положения центра О\ относительно центра О и точностью расположения профилирующей точки М относительно центра О\.
Условие обеспечения точности всего лишь двух звеньев прибора предопределяет высокую точность контроля при использовании данной схемы.
Конструкция приспособления для контроля рабочей поверхности статора РПД представлена на рис. 9.48. Прибор состоит из корпуса I, в котором запрессован вал 2, на валу жестко закреплена шестерня 3, находящаяся в зацеплении с обкатными шестернями 4 и 5, кинематически замкнутыми пружиной 6. Также на валу на подшипниках установлен диск 7, в котором на расстоянии воспроизводящего радиуса Е от центра диска устанавливается на подшипниках 8 эксцентриковый вал 9 с рычагом 10, несущим кулису 11 и измерительную головку 12. Кулиса 11 входит в паз упора 13, расположенного в воображаемом полюсе зацепления Р, т. е. в крышке 14, установленной на диске 7. Упор устанавливается на расстоянии Т/ЗЕ от оси вращения диска 7. Статор базируется на столе 15 по установочным штифтам 16. Стол 15 установлен на шариках по схеме с трехточечной опорой и имеет возможность перемешаться относительно стакана /7 в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Эти перемещения осуществляются посредством микрометрических винтов 18, закрепленных в кронштейнах 19, которые установлены на стакане. С другой стороны стол поджимается пружиной 23 с упором 20. Для обеспечения возможности поворота диска 7 на нем установлена ручка 21, а для регулировки углового положения статора стакан 17 может перемещаться упором 22 с помощью микрометрического винта.
Настройка прибора для контроля заключается в установке упора 13 в полюсе зацепления шестерен, чем обеспечивается точность положения оси измерительного наконечника на нормали по отношению к обрабатываемой поверхности и настройки углового положения статора. Для выверки положения упора 13 применяется юстировочное кольцо, устанавливаемое по базовым отверстиям на столе 15.
Порядок настройки прибора заключается в следующем. С помощью индикатора 11 юстировочное кольцо центрируют по двум точкам максимума относительно центра прибора. Центрирование осуществляют перемещением стола 15 микрометрическими винтами 18. Затем вращением диска 7 определяют поло-448
Рис. 9.48. Приспособление для контроля рабочей поверхности статора РПД Ванкеля
:ение совпадения воспроизводящего радиуса Е и эксцентриси-ета е, после чего, остановив вращение диска 7, корректируют положение полюса, добиваясь минимального показания индикатора путем поворота крышки 14. После этого устанавливают угатор по базовым отверстиям и вращают диск 7. При этом наконечник индикатора будет скользить по рабочей поверхности угатора и контролировать отклонения от профиля, заданного в виде эквидистанты двухдуговой эпитрохоиды.
29 — 5935 440
Станок для хонингования статора РПД. Для финишной обработки статора в МГТУ МАМИ был разработан и запатентован станок для хонингования трохоидальных поверхностей. Известно, что двухдуговую эпитрохоиду можно описать точкой, находящейся на обкатной шестерне при ее обкате по неподвижной шестерне с передаточным отношением 2 I (рис. 9 49). В принцип работы станка заложен метод обратимости движений, т. е плоскости сообщается движение с угловой скоростью со относительно центра О, а режущему инструменту — угловая скорость 2со, причем его вращение осуществляется относительно неподвижного центра О\. Для обеспечения постоянства нахождения режущего инструмента на нормали по отношению к обрабатываемой поверхности использовано свойство линии, проходящей через полюс зацепления Р и точку профиля, являться нормалью к этому профилю
Созданный станок (рис 9.50) состоит из станины 7, шпинделя изделия 2 с планшайбой 3 и регулировочной шайбой 4, на которой базируется деталь 5 Шпиндель изделия 2 кинематиче-
Рис. 9.49. Схема воспроизведения двухдуговой эпитрохоиды
450
Рис. 9 50 Станок для хонингования рабочей поверхности статора
ски через шестерни 6, 7, 8, 9 и вал 10 связан с приводным валом 11, имеющим шлицевое соединение с валом 12, на котором закреплена ведущая шестерня 13, находящаяся в зацеплении с обкатными шестернями 14, установленными на подшипниках в корпусе 15 с крышкой 16, причем число обкатных шестерен соответствует числу хонинговальных брусков
Кинематически каждая обкатная шестерня связана с хонинговальным бруском следующим образом В обкатной шестерне 14 эксцентрично на подшипниках установлен стакан 17, в кото
ром расположены хонинговальный брусок 18, поджим 19, пружина 20 и поршень 21. К верхнему концу стакана 17 прикреплен эксцентрик 22 с закрепленной на нем кулисой 23, которая подвижно связана с упором 24, установленным в крышке корпуса 16 Привод осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу на шкив, установленный на валу 10. Корпус 15 находится на колоннах и получает возвратно-поступательное движение от гидроцилиндра через вал
Работа хонинговального станка с предложенным устройством осуществляется следующим образом. Вращение от электродвигателя передается на вал 10 и при этом за счет кинематической связи шпинделя изделия 2 и приводного вала 11 посредством шестерен 6, 7, 8 и 9 осуществляется вращение изделия и вала 12 с закрепленной на нем ведущей шестерней 13 Одновременно обкатная шестерня 14 будет вращаться в противоположную сторону, причем для получения профиля двухдуговой эпитрохоиды передаточное число выбирается с таким расчетом, чтобы угловая скорость вращения детали была в 2 раза меньше угловой скорости вращения обкатной шестерни 14 Стакан 17, установленный в обкатной шестерне эксцентрично, будет совершать вращательное движение относительно оси вращения шестерни Эксцентрик 22 исключает возможность поворота стакана относительно своей оси, а кулиса 23, перемещаясь в отверстии упора 24, будет удерживать хонинговальный брусок на нормали по отношению к обрабатываемой поверхности. Усилие поджима хонинговальных брусков к обрабатываемой поверхности осуществляется гидроцилиндром 19 Корпус 15 совершает возвратно-поступательные движения на колоннах
Предложенная конструкция позволяет производить обработку кривых и в форме гипотрохоид В этом случае в кинематику станка вводится шестерня, обеспечивающая одностороннее направление вращения изделия и хонинговальных брусков
Вопросы для самопроверки
1 В чем заключаются особенности технологии изготовления корпусных деталей9
2 Каковы характерные технологические базовые поверхности корпусных деталей двигателя9
3 Какие существуют схемы установки спутников с гарантированным прижимом к установочным элементам позиции9
452
4 Каковы основные и второстепенные поверхности блока цилиндре® двигателя, определяющие характер технологического процесса механической обработки9
5 Каковы особенности обработки головки блока цилиндров9
6 В каких случаях предусматриваются резервные позиции в гибких автоматических линиях9
7 В чем заключаются особенности технологии изготовления корпусных деталей9
8 Каковы характерные базовые поверхности корпусных деталей двигателя9
9 Какие существуют схемы установки спутников с гарантированным прижимом к установочным элементам позиции9
10 Каковы основные и второстепенные поверхности блока двигателя, определяющие характер технологического процесса механической обработки9
11 Каковы особенности обработки головки блока цилиндров9
12 В чем заключается гибкость автоматизированных производств, классификация ГПС9
13 Почему ГПМ нерентабельно использовать как самостоятельную производственную единицу для мелкосерийного производства9
14 В каких случаях эффективно использовать оборудование второго поколения — трипоиды и гексапоиды9
15 Почему ГПС рентабельно использовать при групповой обработке корпусных деталей9
Глава 10
Методы упрочнения деталей двигателей
Любая деталь после изготовления обладает принципиально разными с точки зрения энергетического и структурного состояния зонами — поверхностным слоем и сердцевиной. При этом материал поверхности и поверхностных слоев деталей обладает меньшей прочностью по сравнению с материалом в объеме деталей в связи с возникновением уже на стадии их изготовления различного рода поверхностных дефектов.
При образовании поверхностей деталей происходит разруше-ние кристаллической решетки материала деталей. В связи с этим поверхность можно определить как геометрическое место точек обрыва кристаллической решетки материала детали. Нарушение равномерности и всесторонности связей между атомами (на поверхности они не скомпенсированы) приводит к возрастанию дефектности кристаллического строения и свободной энергии в поверхностной зоне. Значительное снижение термодинамической и структурной стабильности поверхности предопределяет понижение свойств материала в этой зоне у реальных деталей.
При изготовлении деталей на их поверхностях и в приповерхностных слоях образуются различные и многочисленные дефекты. Так, в результате резания на поверхности деталей образуются шероховатость, волнистость, материал в поверхностных слоях подвергается пластической деформации, причем степень наклепа и толщина наклепанного слоя обычно из-за сложности конфигурации деталей весьма неравномерны. Кроме того, в поверхностной зоне таких деталей образуются остаточные напряжения растяжения и сжатия.
В то же время материал поверхностных слоев деталей при их эксплуатации нагружен более интенсивно, чем материал их внутренних объемов, так как при эксплуатации детали, взаимодействуя друг с другом, воспринимают все действующие нагрузки своими поверхностями. Поэтому на поверхности и в поверхностных слоях деталей рабочие напряжения имеют максимальные значения, уменьшаясь по сечению деталей. Напряженность металла в поверхностных слоях деталей увеличивается из-за дейст-454
вия различного рода концентраторов напряжений и контактного нагружения. Значительно повышает нагруженность поверхности и поверхностных слоев деталей нестационарность их напряженно-деформированного и теплового состояний, возникающая под действием сил трения, инерции, температуры и т. п.
Различие в свойствах поверхностных слоев деталей и градиента рабочих напряжений в них приводит к тому, что подавляющая часть разрушений многочисленных деталей машин начинается на поверхности и в поверхностных слоях.
Перед создателями техники встала задача по повышению свойств поверхностных слоев деталей. Первым шагом было применение объемной термической обработки: закалки и отпуска. Возникающие при этом окисление и обезуглероживание не позволили обеспечить стабильные и высокие эксплуатационные свойства деталей. Применение в последующем при такой обработке защитных, нейтральных газовых сред привело к заметному повышению свойств деталей. Например, предотвращение возникновения поверхностных дефектов при упрочнении рессор и пружин повысило их усталостную прочность в 1,5—1,8 раза. Однако практика показывает, что объемная термическая обработка в большинстве случаев не обеспечивает требуемых свойств деталей, так как структура и характер ее распределения по сечению деталей после такой обработки, а значит, и их свойства не соответствуют характеру напряженного состояния деталей при их эксплуатации.
Дальнейшие успехи в повышении прочности деталей связаны с различными методами поверхностного и объемно-поверхностного упрочнения, когда в той или иной степени достигается соответствие градиента прочности структуры поверхностных слоев и распределения в них рабочих напряжений.
При использовании различных методов поверхностного пластического деформирования (ППД) уменьшается шероховатость поверхностей, повышаются прочность поверхностного слоя и точность детали. В результате повышаются износостойкость и усталостная выносливость деталей.
Более эффективными являются методы термического поверхностного упрочнения деталей, так как при этом обеспечиваются и большая толщина упрочненного слоя, и более высокая степень упрочнения. Например, при поверхностной закалке с нагревом ТВЧ образуется мартенситная структура с более высокой твердостью, чем наклепанный металл. Необходимо отме
455
тить, что, кроме повышения твердости и прочности структуры поверхностных слоев, при такой обработке создаются в детали большие остаточные напряжения сжатия, которые повышают усталостную прочность.
Методы поверхностного пластического упрочнения (ППУ) и поверхностной закалки позволяют упрочнять только поверхностный слой деталей. Наиболее эффективно применение методов объемно-поверхностного упрочнения, например химико-термической обработки, так как при этом реализуется сразу несколько механизмов упрочнения: увеличение сил межатомной связи, образование прочных и стабильных при эксплуатации фаз и структур, формирование остаточных внутренних напряжений сжатия. Например, при переходе от улучшения к цементации обеспечивается увеличение нагрузочной способности зубчатых передач более чем в 4 раза.
Дальнейшее приращение свойств деталей осуществляется за счет применения комплексных технологических процессов: объемной термической обработки и способов поверхностного упрочнения с использованием ППД; улучшения и азотирования; закалки, отпуска и нанесения покрытий различного рода; химико-термической обработки и покрытий. На автомобильных заводах в общем объеме упрочняемых деталей около 70 % приходится на детали, подвергаемые поверхностному упрочнению, в том числе 40—45 % — поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и 30—35 % — химико-термической обработке (в основном цементации, нитроцементации, азотированию).
Все методы упрочнения деталей можно разделить на две группы: традиционные и новые. К первой относят объемную закалку и отпуск, поверхностную закалку с нагревом ТВЧ, цементацию, нитроцементацию, азотирование, методы механического упрочнения (накатку, дробеструйную обработку). Ко второй — методы упрочнения, которые еще не получили широкого распространения на автомобильных заводах, но уже доказали свою эффективность. Это термическая обработка в вакууме, лазерная закалка и лазерное легирование, ионное азотирование, плазменно-вакуумное нанесение износостойких покрытий, плазменное оплавление поверхностей, газотермическое напыление и др.
В табл. 10.1 приведена классификация эксплуатационных свойств типовых деталей двигателей и коробок передач и рекомендуемые методы их упрочнения.
456
Таблица 101. Классификация эксплуатационных свойств Типовых деталей
Эксплуатационные свойства Метод упрочнения Примеры деталей
Высокие твердость и прочность по всему объему деталей, износостойкость, контактная прочность и выносливость Объемная закалка, низкотемпературный отпуск Шарики, ролики, кольца подшипников качения, иглы распылителей форсунок, валики топливных насосов, клапаны и седла клапанов
Высокие упругость и сопротивление хрупкому разрушению Объемная закалка, среднетемпературный отпуск Пружины, упругие элементы различной формы, рессоры
Изгибная и контактная прочность и выносливость, сопротивление ударным нагрузкам, фреттинг-коррозии Объемная закалка, высокотемпературный отпуск Валы, оси, шатуны, коленчатые и распределительные валы, рычаги сцепления, зубчатые колеса и валы коробок передач
Изгибная и контактная прочность и выносливость, износостойкость, задиростой-кость, сопротивление фреттннг-коррозии Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ, тол шина слоя 2—5 мм Цементация (толщина слоя 0,5—2,0 мм) и нитроцементация (толщина слоя 0.15 -1,0 мм) Азотирование, в том числе карбонитрирование, низкотемпературная нитроцементация, толщина слоя 0,1—0,5 мм Валы из стали с 0,4—0,5 % С, в том числе и специальные зубчатые колеса, шлицевые валы из стали с 0,55—0,65 % С, детали подшипников качения, детали с высокими износо- и задиростойкостью Зубчатые колеса коробок передач, поршневые пальцы, шлицевые валы, распределительные валы Плунжеры, валики водяных насосов, гильзы цилиндров, коленчатые валы, распредвалы, зубчатые колеса, поршневые пальцы
Выносливость, долговечность, сопротивление фреттинг-коррозии Наклеп поверхности после термической обработки, толщина слоя 0,1--0,2 мм Пружины, рессоры, торсионные валы, полуоси, коленчатые валы, зубчатые колеса
10.1. Объемная термическая обработка
Если по условиям эксплуатации деталей действующие на* пряжения должны распределяться по их сечению равномерно, то для повышения прочности и долговечности деталей используют объемную термическую обработку. При этом при выборе марки стали для деталей необходимо учитывать ее прокаливае-мость, под которой понимают способность стали воспринимать
457
закалку с образованием мартенситной или троостомартенситной структуры на определенную глубину. Для получения одинаково высоких свойств по сечению деталей в процессе закалки необходимо обеспечивать сквозную прокаливаемосты
Прокаливаемость стали зависит от химического состава, величины зерна, размера и формы деталей, температуры закалки и многих других факторов.
Для качественного выполнения термической обработки деталей необходимо знать оптимальные температуры нагрева, уметь предотвращать образование поверхностных дефектов, прежде всего окисление и обезуглероживание, и обеспечивать необходимые условия охлаждения при закалке.
Температура нагрева при закалке определяется химическим составом сталей и для конструкционных доэвтектоидных сталей находится в интервале Лез + 30—50 °C, где Лез ~ критическая температура, выше которой сталь находится в аустенитном состоянии.
Для защиты деталей от окисления и обезуглероживания поверхностей при нагреве до температуры закалки (нормализации) в печное пространство вводят газовые среды, которые называют контролируемыми атмосферами, так как их состав контролируется и им можно управлять в зависимости от химического состава сталей. Часто эти атмосферы называют защитными или нейтральными.
В зависимости от химического состава сталей и характера производства используют следующие газовые атмосферы:
— эндотермическую, которая приготавливается путем сжигания метана (природного газа) при недостатке воздуха (<х — 0,25) в присутствии катализатора. Используется при нормализации и закалке конструкционных и инструментальных легированных сталей;
— экзотермическую (богатую), получаемую частичным сжиганием метана (природного газа) при коэффициенте избытка воздуха а — 0,6; применение то же, что и в случае эндотермической атмосферы;
— экзотермическую (бедную), получаемую при полном сжигании метана с а = 0,9; используется при нагреве низкоуглеродистых конструкционных и инструментальных сталей.
Охлаждение при объемной закалке должно быть таким, чтобы обеспечить получение мартенсита во всем сечении деталей; при этом не должны возникать такие дефекты, как деформация и коробление деталей, трещины, остаточные внутренние напряжения растяжения в поверхностных слоях деталей.
458
Обычно для закалки используют воду, водные растворы солей и щелочей, минеральные масла. Углеродистые стали закаливают в воде, легированные стали — в масле. Применение масла позволяет обеспечивать высокое качество термической обработки деталей сложной формы, обеспечивая необходимую микроструктуру по сечению деталей без значительной деформации и коробления деталей.
С целью снижения деформации и коробления деталей сложной формы применяют различные виды закалки: в одном охладителе (обычная), в двух охладителях (прерывистая), ступенчатую и изотермическую. Их особенности указаны в табл. 10.2.
Появление дефектов при термической обработке (деформа-;ций и трещин) происходит в результате термических и структурных напряжений, возникающих из-за неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерностью охлаждения, и фазовых превращений. Образованию дефектов также способствуют: повышение в стали углерода, температуры закалки, увеличение скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. В табл. 10.2 приведена общая характеристика процессов объемной закалки и отпуска.
Среди новых процессов упрочняющей термической обработки заметное место занимает термическая обработка в вакууме, под которым обозначается защитная атмосфера низкого давления (от нескольких мм рт. ст. до 10-6); на практике обычно ограничиваются давлением 10-3 мм рт. ст. Температурный интервал обработки составляет 500—1350 °C.
Эффективность защитного действия вакуумной атмосферы определяется как степенью разряжения, так и составом атмосферы. ! Остаточная атмосфера содержит обычно кислород, азот, пары воды и органических веществ, присутствующих в вакуумной системе. Однако хорошая терметичность установки обеспечивает концентрацию активных компонентов в вакууме при давлении 10—2 ’мм рт. ст., соизмеримую с содержанием их в высокочистых инертных газах. На практике при этих условиях происходит безокисли-тельный нагрев и наблюдается осветление поверхности металлов за счет разрушения имеющейся до обработки пленки окислов.
Существенное преимущество вакуумной термообработки — процесс дегазации обрабатываемых деталей и удаление с поверхности загрязнений (например, масляной пленки).
Важной проблемой термической обработки в вакуумных печах является регулирование скорости охлаждения деталей. В связи с тем что охлаждение в вакууме происходит медленно,
459
Таблица 10 2 Характеристики процессов объемной закалки отпуска
Вил обработки Назначение Температура Охлаждение Микросгруктчра
Закалка в одном охладителе Обеспечение требуемых эксплуатацией механических свойств (совместно с отпуском) На 30—50 °C выше Асз для доэвтекто-идных сталей и Aci для заэвтектоидных Быстрое охлаждение в воде, масле, в водных растворах со скоростью, обеспечивающей превращение аустенита в мартенсит В доэвтектоидных сталях — мартенсит и остаточный аустенит, в заэвтектоидных — мартенсит, цементит, зернистый и остаточный аустенит
Закалка ступенчатая Уменьшение деформаций и остаточных внутренних напряжений в деталях Тоже Охлаждение в расплавленных солях или масле при изотермической выдержке выше температуры Мн (начало мартенситного превращения) в течение времени, достаточного для выравнивания температуры по сечению детали, но до начала распада аустенита с последующим охлаждением в закалочной среде Тоже
Закалка изотермическая (для легированных сталей) Обеспечение высокой прочности с достаточной пластичностью, малая деформация Охлаждение в расплавленных солях (например, 55 % K.NO и 45 % NaNOo) и щелочах (например, 20 % NaOH н 80 % КОН) при изотермической выдержке выше Мн в течение времени, достаточного для превращения аустенита в нижний бейнит Нижний бейнит и остаточный аустенит (10-20 %)
"4(egi
Отпуск низкотемпературный Снижение остаточных внутренних напряжений, сохранение высокой твердости и износостойкости 150—220 °C На воздухе или в масле Мартенсит отпуска
Отпуск средне-температурный Снижение остаточных внутренних напряжений. обеспечение повышенной твердости, прочности, упругости и вязкости 300-450 °C Тоже Троостпт отпуска
Отпуск высокотемпературный Обеспечение высоких значений пределов прочности и текучести при максимальной вязкости 450-670 °C На воздухе Для сталей, обладающих хрупкостью, — в масле Сорбит отпуска
Обработка холодом Повышение твердости по сравнению с закалкой благодаря превращению остаточного аустенита в мартенсит Стабилизация свойств и размеров деталей Охлаждение до тем -пературы Мк (конец мартенситного превращения) Охлаждать медленно с целью предотвращения возникновения больших напряжений при загрузке деталей в холодную камеру Мартенсит
сначала в печах осуществляли операции, не требующие высокой скорости охлаждения (пайку, спекание, отжиг). Затем для увеличения скорости охлаждения деталей в камере нагрева стали производить интенсивную циркуляцию инертного газа (обычно азота), что позволило осуществлять закалку деталей небольшого размера из высоколегированных сталей. Эффективность охлаждения зависит от состава газа, его давления, скорости циркуляции и мощности теплообменников.
Современные вакуумные печи позволяют также осуществлять закалку в воде и масле. Среди вакуумных печей со встроенным масляным баком имеются такие, у которых в одном отсеке смонтированы камеры нагрева и газового охлаждения, масляный бак, и такие, у которых камера нагрева отделена от масляного бака и камеры газового охлаждения вакуумно-плотной дверцей.
В настоящее время вакуумные печи стали обычным оборудованием многих термических цехов. Их используют вместо печей с контролируемой атмосферой и для операций, требующих специальных режимов обработки.
Высокое качество поверхностного слоя деталей, достигаемое благодаря отсутствию окалинообразования, внутреннего окисления и обезуглероживания, его однородность и равномерность упрочнения, включая глухие отверстия, способствуют повышению механических свойств деталей.
Процесс вакуумной обработки взрывобезопасен. При вакуумной термической обработке не наблюдается вредных выделений, эти процессы не токсичны, что в значительной степени способствует решению проблемы защиты окружающей среды.
К недостаткам вакуумных печей относят их сложность, более высокие требования к квалификации персонала, высокие капиталовложения.
10.2. Поверхностная термическая обработка
Этот вид упрочнения применяют для изменения структуры и свойств поверхностных слоев тех деталей, которые должны обладать высокой твердостью поверхности, высокой износостойкостью и усталостной прочностью.
Известны три способа такой обработки, отличающиеся видом нагрева, газопламенная и индукционная закалка, или закалка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), и лазерная закалка. 462
Газопламенная закалка. В этом случае нагрев осуществляют пламенем при сгорании смеси кислорода и ацетилена. Охлаждение после нагрева осуществляют с помощью душа водой или эмульсией, а также при погружении детали в масло. Этот метод на автомобильных заводах не применяют, так как, несмотря на простоту и универсальность оборудования, ему присущ крупный недостаток — трудность обеспечения стабильного качества детали.
Закалку с нагревом ТВЧ очень широко применяют на машиностроительных заводах. На заводах автомобильной промышленности 45—50 % деталей, подвергаемых упрочнению, проходит именно этот вид закалки.
Нагрев детали происходит за счет теплового действия тока, который возбуждается в ее поверхностных слоях благодаря переменному магнитному полю, создаваемому индуктором, в который помещают деталь. Время нагрева обычно находится в пределах от нескольких до десятков секунд. Схема индукционного нагрева представлена на рис. ЮЛ.
По сочетанию стадий нагрева и охлаждения деталей различают два способа индукционной закалки: одновременный и непрерывно-последовательный. При первом способе вся упрочняемая поверхность детали нагревается одновременно, а затем одновременно охлаждается душем или потоком воды в индукторе, либо в отдельном охлаждающем устройстве.
Для поверхностного упрочнения длинномерных деталей в основном используют второй способ, при котрром деталь непрерывно движется через индуктор, в котором осуществляется местный нагрев до необходимой температуры того участка детали,
Рис. 10.1. Схема индукционного нагрева
в — распределение магнитного потока в индукторе, б—направление токов в индукторе и детали; 1 ~нагреваемая деталь, 2 —виток индуктора, 3— магнитные силовые линии, 4— направление тока в индукторе, 5—направление тока в детали
463
который находится в этот момент в зоне индуктора. В момент выхода этого участка из индуктора происходит его закалка при интенсивном охлаждении в душевом устройстве.
Одним из основных элементов индукционных закалочных установок, от которого во многом зависит качество этого вида упрочнения, является индуктор. Индуктор разрабатывается индивидуально для каждой детали. На рис. 10.2 представлены некоторые типы индукторов.
Поверхностную закалку при использовании поверхностного индукционного нагрева применяют для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей. Для деталей диаметром больше 30 мм из-за малой толщины упрочненного слоя общая прочность на кручение, изгиб и контактная прочность невысоки. При этом отмечена трудность достижения равномерности упрочнения по конфигурации деталей сложной формы (например, зубчатых колес).
Рис. 10-2. Схемы типичных индукторов
а —индуктор для одновременной закалки наружных цилиндрических поверхностей, б— петлевой индуктор для нагрева цилиндрических поверхностей при вращении деталей, в — многовитковый индуктор для одновременной закалки внутренних поверхностей (на радиочастоте), г — индуктор для непрерывно-последовательной закалки внутренних цилиндрических поверхностей диаметром >40 мм (7 —активный виток, 2—магнитопровод), д— индуктор для одновременной закалки плоских поверхностей
464
Для поверхностной закалки в основном используют углероистые и низколегированные среднеуглеродистые (0,4—0,7 % С) онструкционные стали, например 45, 40Х и т. п. Такая обра-отка легированных сталей (содержание легирующих элементов ольше 3—5 %) требует повышения температуры нагрева, что приводит к росту зерна и снижению конструкционной прочности деталей.
Температура и время нагрева должны обеспечить получение в поверхностном слое структуры мелкоигольчатого мартенсита. Недогрев приводит к появлению в микроструктуре феррита или мартенсита неравномерного строения, перегрев вызывает образование игольчатого мартенсита.
В качестве закалочной среды применяют водяной душ. Интенсивность такого охлаждения определяется расходом воды, который должен быть не менее 0,5 м3, конструкцией спреера.
Кроме воды, для охлаждения деталей применяют водные растворы органических и неорганических соединений, например полиакриламида (ЗСП-1), а также триэтаноламин, аквапласт, осман ил и др. По сравнению с водой эти среды обеспечивают меньшую интенсивность охлаждения, что позволяет закашивать детали более сложной формы с отверстиями, шпоночны--ми пазами, резкими переходами сечений.
Поверхностную закалку с нагревом ТВЧ широко используют для упрочнения различных деталей двигателя. Далее рассмотрены некоторые особенности этого метода на примере коленчатых валов.
Заготовки коленчатых валов получают методом горячей штамповки, которые затем для улучшения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к окончательному упрочнению валов при индукционной закалке подвергают нормализации. Заготовки в подвешенном состоянии нагревают до температур, которые назначают с учетом массы поковки и марки стали. Так, ддя поковок коленчатого вала весом 50—60 кг, изготовленного из стали 45, нормализацию проводят при 800—900 °C. Для поковок коленчатого вала двигателя автомобиля КамАЗ, изготовленного из стали 42ХМФА, применяюг закалку с температуры 900—950 °C, высокотемпературный отпуск при 600—650 °C. Закалку шеек производят одновременно или группами.
Эксплуатационная долговечность коленчатого вала в значительной степени зависит от расположения закаленного слоя, так как этим определяется благоприятное или неблагоприятное распределение остаточных напряжений. Из представленных на рис. 10.3 конфигураций закаленного слоя в шейках вариант а недопустим,
30-5935
465
б
Рис. 10.3. Схема конфигурации закаленного слоя на шейках' а — граница закаленного слоя совпадает с галтелью, б — граница слоя не доходит до галтели, в — закаленный слой охватывает галтель
так как в переходной зоне от шейки к щеке возникают остаточные напряжения растяжения, которые приводят к преждевременному разрушению вала. Вариант б в настоящее время наиболее распространен, но не оптимален. Наилучшим вариантом упрочнения шеек коленчатого вала является вариант в, его применение повышает усталостную прочность вала в 1,5—2 раза.
Этот вариант упрочнения коленчатого вала используют на КамАЗе. Для закалки шатунных и коренных шеек и цапф используют полностью автоматизированную установку, состоящую из трех блоков, встроенных в автоматическую линию механической обработки.
Индукторы для закалки шатунных и коренных Шеек оснащены полусферическими нагревательными элементами с магнитопроводами. При нагреве и охлаждении коленчатые валы вращаются с частотой при закалке: шатунных шеек — 30 мин-1, коренных шеек — 60 мин-1, цапф — 90 мин-1. На первой позиции одновременно обрабатываются сначала П и III, а затем I и ГУ шатунные шейки, на второй — сначала обрабатываются 2 и 4У а затем коренные шейки 1, 3 и 5. Закалка цапф производится на третьей позиции. Последовательность закалки шеек: две средние шатунные шейки, две коренные (2 и 4) шейки, две внешние шатунные шейки, три коренные 3 и 5) шейки. В целях предотвращения коробления во время закалки коренных шеек коленчатые валы опираются на опорные ролики. Правку валов не производят.
На рис. 10.4 показана схема расположения зон упрочнения коленчатого вала. Закалка шатунных и коренных шеек с галтелями коленчатого вала при его вращении в процессе обработки позволяет получать стабильный поверхностный слой по толщине и расположению, что, в свою очередь, способствует стабилизации и повышению усталостной прочности и износостойкости коленчатых валов. ,
466
Рис. 10.4. Зоны упрочнения коленчатого вала: 7—5 — коренные шейки, 1—IV—шатунные шейки
Отпуск коленчатых валов производят в электрической печи ри температуре 220 °C в течение часа.
Основное достоинство индукционной закалки — возможность встраивания ее в потоки механической обработки. При том индукционный нагрев применяют для поверхностной за-алки деталей, местного отпуска, нормализации сварных швов и тжига резьбы. На автомобильных заводах этот метод использу->т для упрочнения коленчатых и распределительных валов, впу-кных и выпускных клапанов, стоек коромысла, зубчатого обода маховика и др.
Для упрочнения ответственных тяжело нагруженных деталей в последнее время используют метод объемно-поверхностной закалки при индукционном нагреве, предложенный К. 3. Шепе-ляковским (ЗИЛ). При использовании этого метода детали нагревают более медленно, чем при поверхностной закалке (20 — 180 °C) на глубину, не менее чем в 2 раза превышающую требуемую толщину упрочненного слоя.
Характерной особенностью данного метода является исполь-зование сталей с малой прокаливаемостью, которые при глубоком нагреве и резком охлаждении обеспечивают образование мартенситной структуры только в поверхностном слое деталей, в то время как в более глубоких слоях и в сердцевине деталей образуются структуры сорбита или троостита закалки. В результате такой обработки детали приобретают композиционное строение: поверхностный слой с твердостью не ниже 62 HRCg и ердцевину с твердостью 30—45 HRCg. При этом в поверхностях слоях упрочненных деталей возникают остаточные внутреннее сжимающие напряжения (300—700 МПа), что обеспечивает начительное повышение усталостной и контактно-усталостной (рочности деталей.
Этот метод применяют для специальных сталей, обладающих е гл а монтирован ной по верхнему и нижнему значениям прока-иваемостью (РП) и пониженной прокаливаемостью (ПП). Наи-467
более широко метод применяют для стали 55ГПП (шестерни среднего модуля, крестовина кардана грузовых автомобилей и другие детали сечением 10—20 мм), 47ГТ (для полуосей грузовых автомобилей с диаметром 45—50 мм).
Поверхностное упрочнение деталей с применением высококонцентрированных источников энергии. Для обеспечения поверхностного упрочнения используют три разных вида излучения: лазерное, электронное и световое. Эти методы упрочнения нахох дятся на разных стадиях развития.
Воздействия всех указанных излучений на поверхность детали во многом аналогичны. При упрочнении детали выбранный участок поверхности вначале нагревают в течение 1—3 с до необходимой температуры, а затем луч или переходит на другой участок, или отводится от детали вообще. От нагретого участка тепло за счет теплопроводности отводится в глубь детали. Так как при таком охлаждении небольших объемов металла обеспечивается скорость охлаждения больше, чем критическая, то закалка поверхностных слоев происходит без применения специальных охлаждающих сред. Схема поверхностного упрочнения на примере использования лазерного луча приведена на рис. 10.5.
Преимущества, характерные для этих методов упрочнения: отсутствие коробления деталей; локальное упрочнение труднодоступных мест деталей сложной формы; чистота ведения процесса; самозакаливание, позволяющее отказаться от использования закалочных сред; обеспечение заданного профиля упрочненного слоя; возможность использования более дешевых и лег-кообрабатываемых материалов.
Упрочняющая обработка с использованием лазерного излучения. В настоящее время разработаны различные способы создания упрочненных поверхностных слоев с помощью луча лазера:
Рис. 10.5. Схемы зон прогрева металла при облучении расфокусированным лазерным лучом (а) и при сканировании луча (б)
468
— термоупрочнение вследствие фазовых превращений, про-[сходящих при очень быстром нагреве и последующем охлажде-[ии;
— лазерное плакирование, при котором луч лазера расплавляет предварительно нанесенный на поверхность материал, растекающийся по ней, а затем быстро затвердевающий при охлаждении;
i — лазерное легирование, в процессе которого расплавляются Поверхностный слой металла и добавляемые легирующие элементы, что позволяет в локализованных объемах изменить химический состав и получить при затвердевании поверхностного слоя заданные свойства;
— остекловывание поверхности путем создания слоя с чрезвычайно мелким зерном;
— ударное упрочнение, создаваемое ударной волной, возникающей из-за испарения самых верхних слоев металла при чрезвычайно кратковременном воздействии на поверхность луча очень высокой мощности.
Наиболее простым является способ, связанный с фазовыми ревращениями в поверхностных слоях. Он разработан для стаей и чугунов и получил в настоящее время значительное рас-ространение. При поглощении луча поверхностью ее темпера-ура и толщина формирующегося упрочненного наружного слоя озрастают со скоростью, пропорциональной квадратному корта из времени облучения, а скорость охлаждения почти про-юрциональна отношению температуры слоя ко времени его обучения. Толщина слоя зависит также от коэффициента тепло-
|роводности, т. е. от свойств обрабатываемого материала. При еремещении луча с постоянной скоростью вдоль обрабатываемой поверхности рост температуры слоя и скорость его охлаждения связаны с размерами поперечного сечения луча, скоростью pro перемещения и мощностью лазера. Следовательно, изменяя Названные характеристики, можно изменить температуру и толщину слоя. Прочностные же характеристики слоя зависят от степени равномерности распределения падающей энергии по обрабатываемому участку поверхности. После того как лазерный муч перестает действовать на поверхность, происходит ее самозакаливание. При локальном упрочнении заданные участки посрывают специальными веществами, способствующими более эффективному поглощению луча лазера.
469
Для термообработки могут быть использованы лазеры различных систем, отличающиеся переходами, генерирующими когерентный световой пучок, мощностью на выходе и эффективностью проведения процессов. По типу рабочей среды различают твердотельные и газовые лазеры. В лазерах первого типа в качестве рабочей среды используют искусственный рубин, стекло с присадкой неодима или алюмоиттриевый гранат, в лазерах второго типа используют смесь углекислого газа, азота и гелия примерно в отношении 1:3:10. Твердотельные лазеры работают в импульсном режиме с частотой 0,1—10 Гц и длительностью импульса 0,5—7 мс. Газовые лазеры (СО2) работают в непрерывном режиме. Коэффициент полезного действия твердотельных лазеров не больше 3 %, газовых — 5—10 %. Мощность газовых лазеров составляет 1—15 кВт.
Наиболее эффективными для всех видов упрочнения (кроме упрочнения ударной волной) считают лазеры непрерывного действия на СО2, испускающие когерентный монохроматический пучок света. Мощный сфокусированный луч лазера обеспечивает высокую производительность процесса упрочнения и с экономической точки зрения может конкурировать с индукционной закалкой, а также с цементацией, азотированием и пламенной закалкой.
Очень большие скорости нагрева (106—10? °С/с) и охлаждения (6000—7000°С/с) вызывает ряд особенностей структуры и свойств стали и чугуна после лазерной обработки. Отмечено, что структурные составляющие (аустенит, мартенсит) обладают повышенной дисперсностью, искажением кристаллической решетки и ярко выраженной химической микронеоднородностью. В результате быстротечности фазовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении в поверхностных слоях деталей формируются гетерогенные промежуточные фазы и структуры с более высоким сопротивлением износу и схватыванию. При обработке с оплавлением возможно образование метастабильного состояния, которое не может характеризоваться кристаллическим строением и уже близко к аморфному.
Лазерное термическое упрочнение уже используют в промышленности. С использованием лазеров упрочняют такие детали, как картер рулевого управления, гильзы цилиндров дизельных двигателей, втулки и седла клапанов, кулачки распределительных валов, поршневые кольца, подшипники качения, зубчатые колеса.
470
Лазерную обработку применяют и в отечественной автомобильной промышленности. На АО «Москвич» был внедрен процесс лазерного упрочнения опорных поверхностей чугунного корпуса коробки дифференциала, на ЗИЛе — головки блока из алюминиевого сплава и штамповой оснастки, в НИИТавтопроме разработан технологический процесс упрочнения поршней.
Упрочняющая обработка с использованием электронного луча. Процесс может быть осуществлен в условиях вакуума, инертного газа и даже на воздухе; однако оптимальные результаты достигнуты при использовании в качестве защитной среды вакуума. Кроме того, для термообработки могут быть использованы установки, в которых вакуум создается только в зоне воздействия луча на поверхность детали, а остальная часть детали располагается на воздухе.
При таком упрочнении обычно используют метод, при котором электронный луч сканирует обрабатываемую поверхность, переходя от точки к точке. Толщина упрочненного слоя ^зависит от мощности электронного луча и продолжительности его действия и обычно сосгавляет 0,75—1,5 мм. О скорости об-)аботки могут свидетельствовать такие данные: на обработку ыощади 480 мм2 требуется 2—2,5 с. Твердость слоя при этом методе обработки на 2—3 ед. HRC3 выше, чем при обычных способах закалки.
В настоящее время на автомобильных заводах электрон-ю-лучевые установки используют для упрочнения стальных и чугунных деталей' поршневых колец, деталей инжектора, седел Степанов, кулачковых валов, толкателей клапанов и др.
Электронно-лучевые установки более надежны, мощнее (до >0 кВт), чем лазерные, сравнительно недорогие, требуют невысоких капитальных и эксплуатационных затрат, потребляют меньше энергии, чем лазеры (КПД электронных пушек достанет 85 %). Однако лазерные установки по сравнению с элек-ронно-лучевыми не нуждаются в вакуумных камерах и насосах и в защитных устройствах от возникающего рентгеновского йлучения.
Отмеченные особенности лучевых методов обработки связа-гы с заметной экономией энергоресурсов благодаря высокой троизводительности, исключению затрат энергии на разогрев сего изделия и сведению к минимуму финишных операций шлифования, хонингования).
471
10.3. Химико-термическая обработка
Из многочисленных процессов химико-термической обработки для упрочнения тяжело нагруженных деталей и прежде всего зубчатых колес различного назначения в настоящее время на отечественных заводах и за рубежом в основном применяют пемеи-тацию и нитроцементацию. Самыми распространенными процессами являются газовая цементация и нитроцементация, осуществляемые в шахтных, камерных и барабанных печах, камерных и проходных безмуфельных агрегатах. Кроме того, применяют твердую цементацию, цементацию и нитроцементацию с использованием жидких органических соединений (керосин, синтин, уайт-спирит) и природного газа. В последнее время усиленно ведутся работы по исследованию и созданию технологических процессов вакуумной и ионной цементации и нитроцементации, процессов с использованием азотных атмосфер и кипящего слоя.
Типовой технологический процесс химико-термической обработки деталей, изготовленных из разных сталей, состоит из следующих операций:
J мойка и сушка деталей перед насыщением;
J насыщение деталей углеродом или углеродом и азотом (соответственно цементация или нитроцементация);
J закалка деталей после насыщения;
S мойка и сушка закаленных деталей;
Jотпуск деталей.
Мойка и сушка деталей перед химико-термической обработкой. Детали перед химико-термической обработкой должны проходить мойку в горячем растворе для полного удаления грязи, масла, охлаждающих жидкостей, применяемых при механической обработке. После мойки детали необходимо просушить.
Такая предварительная обработка способствует получению деталей более высокого качества: без пятен с низким содержанием углерода и низкой твердостью, с меньшим разбросом значений поверхностной концентрации углерода и азота, а также толщины слоя.
Поступление в печное пространство деталей со следами коррозии, масла, эмульсии приводи!' к неравномерному насыщению деталей (пятнистая цементация). Кроме того, в насыщающей атмосфере будет образовываться большое количество СОг и Оз, что нарушает условия для регулирования состава печной атмосферы, снижает качество обрабатываемых деталей и увеличивает длительность процесса цементации и нитроцементации.
472
Температурные режимы цементации и нитроцементации. Необходимые свойства деталей достигают при осуществлении технологических процессов цементации или нитроцементации, включающих такие операции, как насыщение, закалку и отпуск.
На рис. 10.6 приведены схемы основных применяемых технологических процессов цементации и нитроцементации. Температурно-временные параметры химико-термической обработки зубчатых колес назначают прежде всего с учетом химического состава применяемых сталей. Основную часть деталей обрабатывают по схеме 1 или 2, когда после насыщения углеродом или углеродом и азотом производят непосредственную закалку (при цементации — обычно после подстуживания до некоторой температуры).
Широкое распространение этих схем обработки объясняется тем, что в таких сталях, как 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 15ХГН2ТА в процессе насыщения не происходит значительного роста зерна, а высокие свойства зубчатых колес обеспечиваются без повторной перекристаллизаций. Максимальной прочности зубчатых колес из стали 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 12ХНЗА, 20ХНЗА достига
Время, ч
Рис. 10.6. Схемы основных процессов цементации и нитроцементации: /—цементация, подстуживание, закалка, отпуск; 2— нитроцементация, закалка, отпуск; 5— цементация с повторным нагревом под закалку, отпуск, 4 — цементация, высокий отпуск, закалка с повторным нагревом, отпуск; 5 — цементация, изотермическая выдержка, нагрев под закалку, отпуск
473
ют в случае применения более сложной химико-термической обработки:
^охлаждения после цементации до температуры цеха, закалки, низкого отпуска (схема 3),
J охлаждения после цементации до температуры цеха, высокого отпуска, закалки, низкого отпуска (схема 4);
^охлаждения после цементации до 450 —600 °C, выдержки при этой температуре в течение 4—6 ч, нагрева под закалку, закалки, низкого отпуска (схема 5).
Диффузионное насыщение сталей при газовой цементации и нитроцементации. Насыщение сталей углеродом или углеродом и азотом одновременно происходит при высоких температурах из угдеродо и азотосодержащих сред, чаще всего из газовых атмосфер Атмосферы, в состав которых входит углерод, получают из природного и светильного газов, пропана, бутана, метана и других газов при сжигании их в генераторах Для цементации и нитроцементации можно использовать также чистые углеводороды, метанол, бензол и другие вещества, содержащие углерод, без предварительного сжигания их в генераторах и непосредственно вводя их в печное пространство.
Наиболее широко для приготовления науглероживающей атмосферы применяют природный газ. Атмосфера на его основе содержит в своем составе 20 % СО, 40 % Hi, 1% (СОз + НгО), 1—2 % СН4. остальное — азот. Так как атмосфера приготавливается с поступлением тепла извне, она получила название эндотермической.
Для характеристики насыщающей способности атмосферы используют понятие «углеродный потенциал», под которым имеют в виду содержание углерода в процентах в образце при его сквозном насыщении.
Для регулирования углеродного потенциала атмосферы используют приборы, работающие на основе поглощения инфракрасного излучения газа СО2, на основе определения содержания Н2О (по точке росы) и кислорода в печной атмосфере (кислородные датчики).
Эндотермическая атмосфера (или эндогаз) обладает низкой науглероживающей способностью, поэтому при цементации и нитроцемензации в печь добавляют 2—3 % природного газа. При нитроцементации в печь дополнительно вводят аммиак (NH3), при разложении которого в поверхностные слои деталей диффундирует азот; это обеспечивает совместное насыщение деталей углеродом и азотом.
474
Структура поверхностных слоев деталей и их прочность в значительной степени зависят от значения углеродного потенциала атмосферы и его изменений в процессе их диффузионного насыщения. На практике наиболее распространенными режимами цементации являются прямой и ступенчатый (рис. 10.7). При проведении прямого режима углеродный потенциал атмосферы поддерживают постоянным в течение всего цикла насыщения. При проведении ступенчатого режима на первой стадии насыщения поддерживается высокий углеродный потенциал (1,1—1.3 % С), на второй стадии (диффузионной) углеродный потенциал снижают до оптимальной концентрации 0,8—0,9 % С. Применение ступенчатых режимов цементации приводит к сокращению длительности насыщения на 20—30 %.
В последние годы применяют режимы цементации с программируемым увеличением углеродного потенциала в течение диффузионного насыщения стальных деталей (см. рис. 10 7), что позволяет обеспечить оптимальное содержание в поверхностном слое углерода и формирование мартенситно-аустенитной микроструктуры без дефектов. Это, в свою очередь, приводит к максимальным для газовой цементации значениям прочности и долговечности обработанных деталей.
Нитроцементацию осуществляют с такими расходами эндотермической атмосферы и природного газа, чтобы в течение
Рис. 10.7. Схема прямого и ступенчатого режимов цементации и нитроцементации
475
всего процесса насыщения углеродный потенциал атмосферы был постоянным. Добавку аммиака при этом изменяют в зависимости от длительности процесса в пределах 1—7 %: чем больше толщина поверхностного слоя, тем меньше добавка. При нитроцементации применяют также ступенчатый режим насыщения стали углеродом, когда углеродный потенциал атмосферы понижается в конце процесса, иногда при этом уменьшается азотный потенциал (рис. 10.8).
Область применения этого вида химико-термической обработки постоянно расширяется, например, в автомобилестроении 40—45 % всех деталей, подвергаемых химико-термической обработке, упрочняют нитроцементацией. Постоянно расширяющееся применение нитроцементации объясняется рядом достоинств этого метода упрочнения: более низкой температурой процесса насыщения и меньшей его продолжительностью, более высокой прочностью деталей и др.
Нитроцементации присущи специфические недостатки: невозможность использовать нитроцементацию при толщинах поверхностного слоя более 1 мм из-за интенсивного развития в этом случае дефектов микроструктуры поверхностных слоев и значительного разброса прочности и долговечности обработанных деталей. Эти недостатки устранены в новом способе нитро-
Рис. 10.8. Схема режимов цементации н нитроцементации с программируемым повышением углеродного потенциала
476
^цементации со ступенчатым повышением углеродного потенциала в течение процесса от 0,6—0,8 % на первой стадии до g0,9—1,0 % на второй (рис. 10.8). Добавка аммиака должна находиться в течение всего процесса в пределах 1 — 3 %. При использовании такого режима насыщения механические свойства стали значительно улучшаются (табл. 10.3).
Таблица ЮЗ Влияние изменения углеродного потенциала на механические свойства цементованных и нитроцементованных сталей
Химико-термическая обработка Механические свойства
о_|, МПа ои1г> МПа КС, МДж/м2
Газовая цементация в эндотермической атмосфере при 930 ”С при углеродном потенциале постоянном ступенчато понижающемся ступенчато повышающемся 700-850 630-730 820-900 1550-2000 1550-2000 1850-2000 0,15-0,40 0,10-0,45 0,25-0,45
Нитроцементация в эндотермической атмосфере при 850 ’С при углеродном потенциале ступенчато понижающемся ступенчато повышающемся 900-950 970-1080 1900-2100 2170-2460 0,20-0,25 0,35-0,45
Закалка цементованных и нитроцементованных деталей. Закал-<ку деталей после насыщения углеродом обычно производят с ^температуры подстуживания — 840—860 °C. Закалку нитроце-। ментованных деталей производят непосредственно с температуры насыщения стали углеродом и азотом, т. е. с 850—870 °C.
Температура закалочного масла изменяется в широких пределах от 50—80 до 160—180 °C. Выбор температуры закалочного ‘.масла должен производиться с учетом многих факторов: химического состава стали, конфигурации и массы детали, массы усадки, конструктивных особенностей закалочного бака и т. п. При этом не всегда следует стремиться к повышению темпера-* тур закалочного масла, так как не для всех сталей это повышение сопровождается снижением деформации обрабатываемых ' деталей.
Для закалки цементованных и нитроцементованных деталей рекомендуются специальные закалочные масла марок МЗМ-16, > МЗМ-26 и МЗМ-120, содержащие антиокислительную, моющую и антипенную присадки. Рабочая температура масла МЗМ-16 — 50-70 °C, масла МЗМ-26 - 80-120 °C, масла МЗМ-120 -160-180 °C.
477
Отпуск цементованных и нитроцементованных деталей. После закалки для снятия внутренних напряжений детали проходят низкотемпературный отпуск. Температура и длительность отпуска определяются маркой стали, гвердостью поверхностного слоя и сердцевины деталей и некоторыми другими факторами. Обычно отпуск проводят при температурах 160—200 °C в течение 1,5—4 ч.
Показатели оценки прочности и надежности цементованных и нитроцементованных деталей. Цементации и нитроцементации подвергаются многие и разнообразные детали. Однако в наибольшей степени эти методы эффективны при упрочнении зубчатых колес и прежде всего зубчатых колес транспортных машин — автомобилей и тракторов. Поэтому рассмотрение показателей оценки свойств цементованных и нитроцементованных деталей проведены на примере зубчатых колес автомобильных коробок передач, которые производят, как правило, на заводах по изготовлению двигателей и которые оказывают существенное влияние на долговечность двигателей.
В настоящее время качество цементованных и нитроцементованных зубчатых колес рекомендуется оценивать на основе системы показателей и критериев, приведенных ниже.
Показатели и критерии Количественные значения
Твердость поверхности, HRC..................... 58—62
Твердость сердцевины, HRC ............. 32—40
Толщина слоя, мм....... .... Эффективная во впадине
между зубьями, назначается в зависимости от модуЛя
Количество остаточного аустенита, %: при цементации.................................... 30—50
нитроцементации..................................... 40—60
Содержание углерода в поверхностной зоне слоя, % (вес)............................................... 0,75-1,05
Содержание азота в поверхностной зоне слоя, %
(вес): молекулярного....................................... £0,2
в нитридах.................................. 0,1—0,2
Суммарное содержание углерода и азота в твердом растворе в поверхностной зоне слоя. % (вес).. 0,85—0.95
Микротвердость поверхностной зоны во впадине зубьев, Н50.......................................... 550—750
Микротвердость сердцевины, Н50 ...................... 350—400
Критерий оцен ки контактной долговечности Кн.. 400—500
Критерий оценки циклической и статической прочности при изгибе .................................... 270—350
478
Необходимые твердость, износостойкость, контактная и ус-алостная выносливость, статическая прочность при изгибе це-ентованных и нитроцементованных деталей обеспечиваются в эм случае, если структура их поверхностных слоев состоит из артенсита, равномерно распределенного остаточного аустенита изолированных мелких, не выявленных при 100-кратном увеличении, карбидов и карбонитридов.
Микроструктура поверхностных слоев зубчатых колес и многие свойства в значительной степени определяются концентрацией углерода и азота и характером их распределения по слою. Максимальное значение статической прочности при изгибе, усталостной выносливости и ударной вязкости цементованных сталей достигают при определенном содержании углерода, например, для стали 25ХГТ — при 0,75—0,9 %, стали 25ХГМ — при 0,75—0,95 %, стали 20ХН2М — при 0,8—1,0 %; уменьшение и увеличение поверхностной концентрации углерода относительно указанных интервалов приводит к снижению исследованных свойств.
Максимальные значения определяемых характеристик для нитроцементованных сталей достигаются при определенном суммарном содержании углерода и азота в твердом растворе. Например, у сталей 25ХГТ, 25ХГМ и 20ХН2М оно равно 0,85—0,95 %. С увеличением и уменьшением этой суммы прочность сталей понижается. Влияние азота зависит от формы его существования в нитроцементованных сталях: в твердом растворе, нитридах и карбонитридах, а также в порах (молекулярный).
На прочность и долговечность тяжело нагруженных цементованных и нитроцементованных зубчатых колес значительно влияют такие показатели, как толщина упрочненного слоя на рабочей поверхности зубьев и во впадине между ними, микротвердость поверхностной зоны во впадине и количество остаточного аустенита в этой зоне. Это хорощо видно на рис. 10.9, где приведены результаты стендовых испытаний на контактную прочность зубчатых колес коробок передач грузового автомобиля.
На прочность и долговечность зубчатых колес в условиях ра-' боты на усталость и статический изгиб значительное влияние оказывают микроструктура сердцевины и ее однородность (рис. 10.10). Как правило, микроструктура сердцевины зубьев должна состоять из малоуглеродистого мартенсита или троостомартенси-та или троостоорбита (в зависимости от прокаливаемосги стали и эффективности охлаждения при закалке). Кроме оптимального значения микротвердости, очень важна ее стабильность: разброс значений микротвердости не должен быть больше 25—30 Н50.
479
300 320 340 360 380
Микротвердость в сердцевине, Н50
30 40 50 60 70 80
Разность микротвердости в сердцевине, Н50
Рис. 10.9. Зависимость долговечности при контактных испытаниях зубчатых колес из стали 15ХГН2ТА от толщины слоя на рабочей поверхности зубьев и во впадине между ними, микротвердостн поверхностной зоиы во впадине и содержания остаточного аустенита в этой зоне
Обобщенным с точки зрения оценки прочности и наиболее распространенным способом оценки распределения прочности (структуры) по сечению деталей является определение микротвердости по сечению упрочненных зубчатых колес. Обычно стремятся получить распределение микротвердости по сечению зубьев по схеме, приведенной на рис. 10.11, а. Считают, что при
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
Толщина слоя на рабочей поверхности, мм Толщина слоя во впадине зубьев, мм
Рис. 10.10. Зависимость долговечности зубчатых колес коробок передач из стали 15ХГН2ТА при испытании на усталость при изгибе от микротвердости сердцевины зубьев и стабильности ее значения
480
таком распределении прочности по сечению зубьев должна обеспечиваться требуемая долговечность зубчатых колес. Однако эта схема, как правило, не реализуется из-за образования в поверхностных слоях различных дефектов (внутреннее окисление, структура немартенситного типа, темная составляющая). Так как в слоях образуются названные дефекты, микротвердость (прочность) распределяется по слою, согласно схеме на рис. 10.11, б.
Приведенные на рис. 10.11 схемы распределения микротвердости по сечению деталей показывают, что при анализе цементованных и нитроцементованных зубчатых колес необходимо рассматривать три зоны: приповерхностную (до 250 мкм), где наблюдаются отклонения в свойствах, упрочненный слой (до 1,5 мм) и сердцевину.
Величина приповерхностной зоны зависит от условий проведения химико-термической обработки, а также от конфигурации детали. Обобщенная схема соотношения указанных трех зон зубчатых колес показана на рис. 10.12. Из него видно, что после осуществления упрочнения зубчатых колес с применением широко распространенных режимов цементации и нитроцементации эффективность упрочнения приповерхностной зоны и слоя по конфигурации зубчатого колеса неравноценна. При этом самым главным выводом является то, что приповерхностная зона во впадине максимальна, а это значит, что материал в этой зоне упрочнен минимально. Кроме того, образующийся в этой зоне упрочненный слой меньше на- 15—20 %, чем упрочненный слой на активных поверхностях зубьев.
Рис. 10.11. Схема распределения микротвердости по упрочненному слою: -Лс — эффективная толщина упрочненного слоя; h4 — толщина приповерхностной зоны
31 — 5935
481
Рис. 10.12. Схема соотношения различных зон зубьев цементованных и нитроцементованных колес
К основным показателям, определяющим прочность и долговечность цементованных и нитроцементованных зубчатых колес, относят: в условиях контактной и усталостной выносливости — эффективную толщину слоя во впадине между зубьями и микротвердость тонкой поверхностной зоны в этом месте; в условиях циклической и статической прочности при изгибе — эффективную толщину слоя во впадине между зубьями, микротвердость структуры сердцевины и степень неоднородности структуры сердцевины.
Для оценки контактной и усталостной выносливости рекомендуется критерий
Нвд X /?вп, представляющий собой произведение микротвердости тонкой поверхностной зоны во впадине зубьев (Нвп) на эффективную толщину слоя во впадине (йвп) Между этим критерием и долговечностью установлена прямо пропорциональная зависимость (рис. 10.13).
Для оценки циклической и статической прочности при изгибе рекомендуется использовать критерий
А/г Нсеряи ^вп, представляющий собой произведение эффективной толщины слоя во впадине (йвп) на микротвердость структуры сердцевины (Нссрдц) Максимальные значения прочности и долговечности зубчатых колес обеспечиваются, когда значения этого критерия находятся в интервале 280—360 (рис. 10.14).
482
100 200 300 400 500 Кт
Рис. 10.13. Зависимость долговечности зубчатых колес из стали К15ХГН2ТА от критерия Кн при стендовых испытаниях на контактную усталость
Рис. 10.14. Зависимость нагрузки на выламывание зубьев зубчатых колес из стали 12Х2Н4А и долговечности при испытаниях на изгиб зубчатых колес из стали 15ХГН2ТА от критерия KF
Данные критерии оценки прочности и долговечности позволяют не только прогнозировать свойства зубчатых колес и обеспечивать их стабильность на предельном уровне, но и управлять технологическим процессом, так как на их основе можно определять оптимальные значения основных показателей упрочнения.
Конструктор и технолог с целью обеспечения предельной прочности и долговечности должны умело конструировать сочетания структуры и фаз, изменять (даже за пределы установленных интервалов) значения показателей упрочнения зубчатых колес: снижать или повышать твердость (микротвердость) слоя и сердцевины, увеличивать или уменьшать толщину упрочненного слоя, изменять соотношения составляющих в микроструктуре и т п
Азотирование — один из эффективных методов химико-термической обработки. При оптимальном выборе марки материала и технологического процесса диффузионного насыщения азотом обеспечивается высокий комплекс эксплуатационных свойств деталей:
J твердость поверхности до 800—1200 HV,
Zвысокие износостойкость и противозадирные свойства;
J циклическая прочность деталей сложной формы с концентраторами напряжения в 1,5—2 раза более высокая, чем после улучшения;
31* 483
S высокая теплостойкость азотированной поверхности (500—550 °C вместо 200 °C при цементации и поверхностной закалке с нагревом ТВЧ);
/ высокая коррозионная стойкость, сравнимая со стойкостью гальванических покрытий (хром, цинк);
•/незначительная деформация деталей из-за низкой температуры процесса обработки и благодаря отсутствию структурных превращений при охлаждении.
В силу перечисленного азотирование применяют для деталей и инструментов, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, воздействия повышенных температур, агрессивных сред и с высокими требованиями по сопротивлению изнашиванию. Характерными примерами деталей двигателей, для которых эффективно азотирование, являются: коленчатые валы (50Г-СШ, ВЧ60, ВЧ70, 18Х2Н4ВА, 42ХМФА), гильзы цилиндров (38Х2МФА), плунжера и втулка насоса высокого давления (25X5 М); впускные и выпускные клапаны (40Х9С2, 55Х20Г9АН4, 45XI4H14B2M); шестерни привода механизмов (40Х. 42ХМФА).
В настоящее время азотирование осуществляют с использованием различных насыщающих сред. Для упрочнения деталей в основном применяют газовые атмосферы. Классическим вариантом является азотирование в атмосфере аммиака.
Температура диффузионного насыщения деталей находится в интервале 500—600 °C; выбор температуры азотирования определяется прежде всего химическим составом стали и условиями эксплуатации деталей.
Продолжительность стадии диффузионного насыщения зависит от марки стали, требуемой толщины упрочненного слоя и температуры процесса азотирования. Обычно толщина слоя находится в пределах 0,1—0,4 мм, максимально — до 0,6 мм.
Эксплуатационные свойства азотированных деталей формируются в результате комплексного технологического процесса, состоящего из термической обработки заготовок, механической обработки и азотирования. Такой порядок изготовления азотированных деталей обусловлен рядом особенностей азотирования как метода химико-термической обработки.
Окончательные структуры и эксплуатационные свойства цементованных и нитроцементованных деталей, прежде всего их поверхностная твердость и прочность, формируются на стадии закалки и низкотемпературного отпуска. В этом случае повышение свойств деталей обеспечивается за счет механизма мартенситного упрочнения. При азотировании механизм упрочнения 484
иной: повышение свойств деталей здесь происходит благодаря нитридному упрочнению, которое осуществляют на стадии диффузионного насыщения деталей при температуре азотирования 500—600 °C и при охлаждении деталей до комнатной температуры (причем интенсивного охлаждения не требуется).
Таким образом, если при цементации и нитроцементации после диффузионного насыщения углеродом или углеродом и азотом детали необходимо закалить и только в этом случае обеспечивается максимальная поверхностная твердость деталей, то при азотировании максимальная твердость поверхностных слоев деталей обеспечивается уже при диффузионном насыщении, и закалки в этом случае не требуется.
Кроме того, после азотирования упрочненный слой у деталей Меньше, чем после цементации и нитроцементации (0,1—0,5 мм вместо 0,5—1,5 мм). Сочетание высокой твердости слоя (700—1100 HV) с малой его толщиной заставляют предусматривать упрочнение внутренних объемов деталей, чтобы предотвратить раздавливания при эксплуатации. Это упрочнение обеспечивается за счет применения перед азотированием предварительной термической обработки. С учетом этих особенностей для нагруженных азотированных деталей общая схема комплексного процесса их изготовления осуществляется следующим образом:
— термическая обработка заготовок: закалка и высокотемпературный отпуск; при этом температура отпуска должна быть выше температуры азотирования (обычно она находится в интервале 550—680 °C);
— механическая обработка деталей. Учитывая минимальную деформацию при азотировании, выполняется в окончательные размеры с припуском на финишные операции (шлифование, доводки);
— подготовка поверхностей деталей для азотирования: очистка от масла, эмульсии, пленок окислов и защита отдельных участков от насыщения азотом (жидким стеклом, оловом);
— азотирование;
— окончательная обработка (шлифование, доводка).
Азотирование в аммиаке обеспечивает высокий комплекс свойств, однако его широкому распространению в промышленности, в частности в автомобилестроении, препятствовали присущие ему крупные недостатки: хрупкость поверхностного слоя, большая длительность процесса насыщения (до 70—90 ч), необходимость изготовления деталей из легированных сталей.
485
С целью устранения отмеченных недостатков классического газового азотирования были разработаны и ныне используются различные процессы кратковременного газового азотирования, в которых насыщение деталей осуществляют в атмосферах, состоящих из аммиака и углеродсодержащих газов, в плазме тлеющего разряда (ионное азотирование), в каталитической аммиачно-воздушной атмосфере
Кратковременное газовое азотирование в атмосфере аммиака и углеродсодержащих газов характеризуется следующими особенностями.
— повышением температуры насыщения до 570—580 °C (вместо обычных 500—540 °C),
— комплексностью насыщения сталей азот 4- углерод, азот + + кислород, азот + кислород + углерод,
— меньшей длительностью насыщения (6—24 ч),
— повышением пластичности поверхностной зоны слоя, так как вместо хрупкой азотистой е-фазы с 9—10 % азота образуется карбо-нитридная или карбооксинитридная зона, обладающая определенной пластичностью, толщина этой зоны составляет 7—25 мкм,
— расширением номенклатуры азотируемых сплавов, наряду со сложнолегированными сталями типа 38Х2МЮА эти методы успешно применяются для обработки деталей из сталей 45, 40Х, 40ХФА, 35ХМ и др
Наиболее часто при таком азотировании используют газовые атмосферы, содержащие аммиак и природный газ, или аммиак и эндогаз, или аммиак и экзогаз
Методы кратковременного газового азотирования применяют для упрочнения кулачковых и коленчатых валов, зубчатых колес и др
Каталитическое газовое азотирование, разработанное в НИИТавтопроме, отличается от классического газового азотирования в аммиаке тем, что приготовление печной атмосферы происходит путем неполного каталитического окисления аммиака с использованием специальных катализаторов, а также непрерывным управлением процесса насыщения сталей азотом с помощью кислородного датчика Процесс осуществляется в серийных шахтных печах азотирования. Этот процесс позволяет в 2—3 раза сократить длительность насыщения в сравнении с газовым азотированием в аммиаке, получить толщину слоя 0,2—1,2 мм при 500—670 °C за 20—24 ч, повысить коррозионную стойкость, расширить номенклатуру азотируемых сплавов, включая теплостойкие стали, порошковые материалы, быстрорежущие стали и др.
486
Ионное азотирование (в тлеющем разряде). Схема установки для ионного азотирования приведена иа рис. 10.15. Сущность ионной химико-термической обработки, в том числе и азотирования, заключается в том, что в разреженной газовой среде между катодом (деталью) и анодом (стенки вакуумной камеры) возбуждается тлеющий разряд, отличающийся малой плотностью тока на катоде и большим катодным падением тока Положительные ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, непрерывно бомбардируют поверхность катода (детали) н выбивают из него электроны В результате поверхность катода покрывается голубым люминесцентным свечением в виде тлеющей кромки, имеющей форму поверхности детали, включая пазы и отверстия.
В результате бомбардировки катода положительно заряженными ионами происходит
• /’ катодное распыление, в результате которого осуществляется очистка всей поверхности детали;
• / нагревание поверхности деталей до 500—580 °C за счет кинетической энергии этих ионов и превращения части ее в тепловую,
• /диффузионное насыщение
При использовании этого метода азотирования благодаря регулированию давления и состава насыщающей атмосферы можно управлять структурой и фазовым составом поверхностных слоев деталей. Так, в случае добавления к аммиаку аргона представляется возможность предотвратить образование на поверхности сплошной нитридной зоны, в случае добавки углеродсо-
Рис. 10.15. Схема установки для ионного азотирования
1 — герметизированный вакуумный контейнер, 2— азотируемые летали (катод), 3 ~ вакуумная система, 4— газобаллонная станция, 5— приборы контроля и регулирования температуры, 6— блок электропитания
487
держащего компонента, например пропана, в поверхностных слоях деталей формируется развитая карбонитридная зона.
Ионное азотирование позволяет сократить длительность обработки в сравнении с азотированием в аммиаке в 1,5—-2 раза, обеспечивает высокую чистоту поверхности, характеризуется значительным сокращением электроэнергии и технологических газов.
Ионное азотирование используют для упрочнения коленчатых и распределительных валов, впускных и выпускных клапанов и др.
10.4. Методы нанесения упрочняющих покрытий
Эта группа поверхностного упрочнения деталей отличается большим многообразием технологических процессов. Наиболее распространены процессы упрочнения плазмой, лазером, ионно-плазменное, электроискровое, детонационное. В связи с тем что для этих методов упрочнения диффузия осуществляется только в зоне раздела поверхность детали — наносимый слой покрытия, прочность последнего определяется величиной адгезионных и когезионных сил и природы диффузионной связки в зоне раздела слой — деталь. При реализации этих методов упрочнения размер детали увеличивается приблизительно на толщину наносимого слоя, что позволяет применять эти методы не только для упрочнения новых деталей, но и для восстановления деталей, бывших в эксплуатации.
Метод плазменного напыления упрочняющего материала на поверхность деталей основан на нагреве порошка этого материала с помощью плазменной струи ионизированного газа до температуры плавления или размягчения в потоке газа. Температура плазменной струи — около 20 000 °C, время нахождения частиц порошка в плазменной струе равно 10”4—10~2 с.
Покрытие образуется путем последовательного оседания расплавленных или близких к этому состоянию частиц порошка друг на друге. Вследствие закалки частиц в момент их попадания на поверхность детали покрытие обладает более высокой твердостью и сильно насыщено газами, растворенными в расплавленных частицах порошка при их полете в струе плазмы. При использовании защитной среды или в вакууме покрытия получаются более плотными. В качестве примера использования этого метода в двигателестроении показана разработанная 488
НИИТавтопромом совместно с ЯМЗ комплексная технология производства поршневых колец дизельных двигателей с молибденовым покрытием, предусматривающая операции подготовки поверхности колец, сборку-разборку колеи на оправке, плазменное напыление. В состав оборудования входит полуавтоматическая установка для производства специального порошка для напыления.
Плазменный метод применяют для упрочнения деталей, изготовленных из легированных чугунов. В НИИТавтопроме разработаны метод и оборудование для упрочнения распределительных валов и коромысел клапана двигателя МеМЗ. Упрочнения достигают в результате локального нагрева поверхностного слоя детали сжатой плазмой, его расплавления на глубину до 2,5 мм и последующего охлаждения за счет естественного отвода тепла в центральные объемы детали. В результате на поверхности детали образуется износостойкий слой со структурой отбеленного чугуна с твердостью 52—54 HRC3, обеспечивающей значительное повышение долговечности деталей.
Детонационный метод упрочнения деталей основан на циклическом воздействии ударных волн на частицы напыляемого вещества, находящиеся в твердом, оплавленном или жидком состоянии. В результате взрыва горючих газовых смесей (кислород — ацетон, водород — кислород, метан — кислород и др.) выделяется большое количество тепла (2500—6000 К), изменяются давление (от 2,9 до 4,9 МН/м2) и скорость детонации (до 800 м/с). Однако упрочняемая деталь, несмотря на такие высокие температуры в местах контакта с напыляемыми частицами, не нагревается выше 200 °C.
Из-за кратковременности взаимодействия частиц порошка и поверхности деталей формирование детонационного покрытия происходит не диффузионным путем. Оно образуется за счет сцепления напыляемых частиц с поверхностью деталей.
Детонационное напыление является перспективным методом нанесения износостойких, теплозащитных, электроизоляционных и композитных покрытий. В НИИТавтопроме разработаны режимы и установки «Корунд» для обработки различных деталей. При нанесении покрытий используют материалы на основе металлов, окисной керамики, пластмасс. Толщина покрытия от 20 мкм до 1 мм и больше. Твердость покрытий (оксидных и карбидных) достигает 12 000—15 000 МПа.
489
Применение детонационных покрытий дает значительный эффект Например, при использовании покрытия на основе окиси алюминия достигают:
Z значительного (в несколько раз) повышения износостойкости, надежности деталей гидравлических агрегатов (опорный торец корпуса подшипника водяного насоса грузового автомобиля, плунжер насоса высокого давления);
•/ замены материала изделия без ущерба для работоспособности, снижения веса конструкции (упрочнение ручьевых поверхностей шкивов автомобилей, тракторов, строительных машин позволяет изготавливать эти детали из алюминиевого сплава);
Jповышения долговечности деталей, работающих в условиях интенсивной эрозии при высоких температурах (срок службы сопел распылителя с теплозащитным покрытием увеличивается в 4 раза)
Электроискровая обработка — метод локального упрочнения поверхностей деталей, основанный на использовании электрической эрозии и полярного переноса материала анода (электрода) на катод (деталь) Процесс переноса материала электрода (легирование поверхности в локальном месте) осуществляется в результате импульсных разрядов (10~3—10"6 с) в газовой среде. Химический состав и структура формирующегося защитного слоя определяются материалом электрода, в качестве которого может быть твердый сплав, молибден, бронза и др.
На поверхности деталей образуется белый (при исследовании на шлифе) слой, ниже располагается переходная зона, структура которой формируется под воздействием термического влияния разрядов и вследствие диффузионного перемещения элементов, содержащихся в электроде. Этот метод позволяет наносить твердые покрытия из тугоплавких металлов,, а также мягкие покрытия — антифрикционные, жаростойкие, коррозионностойкие, токопроводящие, декоративные и др.
Для осуществления процесса разработаны установки, например модель ЭИЛВ-7А, на которых обрабатывают поверхности коленчатых и распределительных валов, деталей коробок передач, топливной аппаратуры после традиционной термической и химико-термической обработок, достигая при этом значительного эффекта Так, после нанесения самоприрабатывающихся композиционных покрытий износостойкость и противозадирная стойкость закаленного высокопрочного чугуна повышаются до уровня быстрорежущей стали.
490
Вопросы для самопроверки
1 Какие методы упрочнения применяют на автомобильных заводах9
2 В чем состоит различие между объемной и поверхностной термической обработками9
3 Какие детали двигателей упрочняют закалкой с нагревом ТВЧ9
4 Какие методы химнко-термической обработки используют для упрочнения деталей двигателей9
5 Чем отличается механизм упрочнения деталей прн нанесении покрытий9
Глава 11
Технологические процессы сборки
11.1. Сборка — завершающий этап изготовления машин
Современное машиностроение выпускает громадную номенклатуру изделий для удовлетворения рынка. Эти изделия отличаются по своим функциональным свойствам, техническим и экономическим параметрам. При этом явно просматриваются две тенденции: разнообразие выпускаемых изделий увеличивается (стремление к обеспечению индивидуальных потребностей каждого потребителя), а сроки их обновления сокращаются.
Эти противоречивые задачи решаются созданием, с одной стороны, конструкций изделий по блочно-модульному принципу, позволяющему из набора типовых узлов компоновать машины с различными потребительскими свойствами, с другой — созданием технологий, обеспечивающих выпуск различных изделий с минимальными затратами ресурсов и времени на переход от одной модели изделия к другой. При этом конструктивная сложность изделий машиностроения возрастает примерно вдвое за каждые 15—20 лет, растут требования к их качеству и надежности.
Анализ машиностроительного производства показал, что имеющиеся значительные диспропорции в развитии технологических процессов являются серьезным тормозом для комплексной автоматизации производства В заготовительном, механообрабатывающем и других производствах произошли очень большие изменения в структуре парка технологического оборудования, что привело к существенному сокращению ручного труда и повышению качества продукции за счет внедрения сотен тысяч полуавтоматов, автоматов, автоматических линий и участков. В сборочном же производстве ручной труд остался преобладающим.
Качество сборочного процесса непосредственно алияет на качество готовой продукции и лучше всего обеспечивается автоматической сборкой. Другое преимущество автоматизации сборки — исключение монотонной, а иногда физически тяжелой ручной работы, т. е. гуманизация производственных процессов. 492
Казалось бы, эти обстоятельства должны способствовать широкой автоматизации сборки в машиностроении и других отраслях промышленности, однако и по настоящее время уровень автоматизации остается низким. На машиностроительных заводах промышленно развитых стран в среднем каждый четвертый производственный рабочий занят на сборочных операциях, причем большая часть работы выполняется вручную.
Совсем недавно необходимость автоматизации сборочные процессов диктовалась дефицитом рабочей силы. Монотонным, напряженным, не требующим высокой квалификации трудом даже при относительно высоких заработках люди заниматься не хотели. Сегодня в условиях кажущегося избытка рабочей силы при комплектовании сборочных участков рабочими-операторами остаются те же проблемы
Опыт промышленно развитых стран показывает, что из-за проблем с обеспечением сборочных производств квалифицированными кадрами предприятия вынуждены искать новые организационные формы сборки или проводить комплексную автоматизацию.
Детальный анализ процессов сборки и различных аспектов ее автоматизации позволил выявить главные проблемы в этой области производства:
J «неприспособленность» конструкций машин и их частей к требованиям автоматической сборки;
J неэффективность замены механизмами- ручных операций сборки без коренного изменения их содержания;
J жесткие требования к точности автоматических сборочных машин и их высокая стоимость;
J трудности в обеспечении быстрой переналадки, гибкости, надежности сборочного оборудования и ряд других.
Существует много примеров, когда были предложены эффективные методы решения этих проблем. Однако и сейчас еще автоматизация сборки — это область, где риск неудачного решения конкретной задачи намного выше, чем, например, в области обработки деталей Может быть, поэтому в мире чцсло фирм, занятых изготовлением сборочных машин и линий, в десятки, даже сотни раз меньше, чем станкостроительных Следовательно, технология и автоматизация процессов сборки — это наиболее наукоемкая область машиностроения, т. е. требующая больших научных исследований и серьезных обоснований принимаемых решений. •
493
Сборка — заключительный этап производственного процесса в машиностроении, однако технологические процессы механической обработки всегда оказываются подчиненными технологии сборки, поэтому технология производства любого изделия должна начинаться с проработки технологии сборки. Только рассматривая двигатель целиком, можно определить служебное назначение каждой отдельной детали, установить требуемую степень точности и шероховатости, назначить требования к поверхностному слою, определить предельные отклонения геометрической формы, т. е. назначить технические условия на изготовление и сборку. Только изучив технологию процесса сборки машины и работу узлов и отдельных деталей в ней, можно назначать допуски на сопрягаемые размеры и решать вопросы с методами сборки.
Трудоемкость сборки составляет 25—35 % общей трудоемкости изготовления изделий; при большом объеме пригоночных работ (единичное и мелкосерийное производство) она достигает 40-50 %.
Основные направления повышения производительности сборочных процессов — устранение пригоночных работ, рациональное построение технологического процесса сборки, механизация и автоматизация. Конструкция машины должна допускать сборку ее из предварительно собранных узлов, что позволяет осуществлять параллельную сборку и испытание узлов и изделия, сокращает длительность цикла сборки машины. Сборочный чертеж должен содержать необходимые проекции и разрезы, спецификацию элементов изделия, размеры, выдерживаемые при сборке, посадки в сопряжениях, данные о массе изделия и его составных частей. В технических условиях указывают точность сборки, качество сопряжения, их герметичность, жесткость стыков, моменты затяжки резьбовых соединений, точность балансировки вращающихся частей и другие сведения. Приводят указания о методах выполнения соединений, последовательности сборки, методах промежуточного и окончательного контроля изделий. На основе анализа конструкции изделия составляют возможные предложения по его конструктивным изменениям, упрощающим сборку, выявляют перспективность производства изделий, так как от этого зависит степень механизации и автоматизации сборки.
Конструктор изделия при составлении сборочных чертежей решает вопрос о методе обеспечения заданной точности замыкающих звеньев размерных цепей изделия. Он может быть из
494
менен по согласованию с конструктором изделия, если технолог предложит более рациональный метод сборки. Уменьшение количества наименований деталей и узлов машины, а также использование стандартных деталей и узлов снижают себестоимость изготовления машины. Нормализация крепежных и других деталей изделия сокращает номенклатуру сборочных инструментов и позволяет более эффективно использовать средства механизации сборочных работ. Необходимо обеспечивать возможность удобного подвода механизированного сборочного инструмента к местам соединения деталей и легкость захвата их грузоподъемными устройствами.
11.2. Особенности сборочных процессов, организационные формы и методы обеспечения заданного качества продукции
При проектировании технологического процесса сборки используют сборочный чертеж изделия, технические условия его приемки, программу выпуска изделий и предполагаемую длительность выпуска изделий в годах, а твкже справочные материалы — рекомендации по улучшению технологичности конструкций изделий, каталоги сборочного и подъемно-транспортного оборудования, альбомы сборочной технологической оснастки, нормативы по нормированию сборочных работ, примеры сборки аналогичных изделий.
Цель технологических разработок — дать подробное описание процессов сборки изделия, выявить необходимые средства производства, площади, рабочую силу, трудоемкость и себестоимость сборки изделия. Технологические процессы разрабатывают при проектировании новых и реконструируемых заводов, при организации выпуска новых объектов на действующих заводах.
Изучение собираемого изделия завершается составлением технологических схем общей и узловой сборки, которые, являясь первым этапом разработки технологического процесса, в наглядной форме отражают маршрут сборки изделия и его составных частей (рис. 11.1). Технологические схемы сборки составляют на основе сборочных чертежей изделия. При наличии образца изделия составление технологических схем облегчается В этом случае наивыгоднейшая последовательность сборки может быть установлена путем его пробной разборки. Элементы, снимаемые в неразобранном виде, представляют собой части изде-
495
s jO li
Рис. 11.1. Схема общей сборки изделия
лия, на которые далее составляют технологические схемы узловой сборки; детали, снимаемые отдельно, являются элементами, непосредственно входящими в общую сборку изделия.
После изучения собираемого изделия составляют технологические схемы общей и узловой сборки. При этом изделие делят на сборочные единицы.
Деталью называют первичный элемент изделия. Его характерный признак — отсутствие в нем разъемных и неразъемных соединений.
Базовым называют основной элемент (деталь, узел), с которого начинают сборку.
В современном машиностроении сборка расчленяется на общую и узловую.
Каждый элемент изделия условно обозначен на схеме прямоугольником, разделенным на три части. В верхней части указывают наименование элемента, в левой нижней — его индекс, в правой нижней — количество собираемых элементов.
Индексы элементов соответствуют номерам деталей и узлов на чертежах и в спецификациях.
На рис. 11.2 даны технологические схемы узловой сборки изделия, общая сборка которого показана на рис. 11.1.
Технологические схемы строят отдельно для общей сборки изделия и сборки каждого из его узлов. Технологические схемы сборки отражают структуру и порядок комплектования изделия и его узлов; они упрощают разработку процессов сборки и позволяют оценить технологичность конструкции изделия в части полноты соблюдения принципа узловой сборки. Технологические схемы сборки снабжают дополнительными надписями, определяющими содержание операций (приварить, совместно сверлить и развернуть, регулировать зазор и т. п.), когда они не ясны из самой схемы.
Составление технологических схем сборки изделия возможно в нескольких вариантах, отличающихся как по структуре, так и по последовательности комплектования сборочных элементов. Выбор 496
варианта производят с учетом производительности, рентабельности и удобств выполнения сборки. Если изделие имеет несколько размерных цепей, то сборку следует начинать с наиболее сложной и ответственной цепи, звенья которой являются составляющими других более простых цепей. Завершают сборку постановкой элементов, которые образуют замыкающее звено размерной цепи.
Принятые варианты схем сборки определяют последовательность сборки изделия и его узлов и уточняются на стадии разработки маршрутов (см. 11.5).
Методы сборки и обеспечение заданной точности сборки изделия, Конструктор изделия решает важный вопрос о методе обеспечения точности замыкающих звеньев размерных цепей, т. е. о методах сборки. Если технолог предложит более рациональный метод сборки, то в сборочные чертежи вносят соответствующие изменения по согласованию с конструктором изделия.
Если допуск на замыкающее звено данной размерной цепи равен или больше суммы допусков на все остальные звенья, применяют наиболее производительный метод сборки — метод полной взаимозаменяемости. При многозвенной цепи и узком допуске на замыкающее звено иногда предусматривают сборку методом частичной (неполной) взаимозаменяемости, допуская определенный процент риска получения брака при сборке. Подсчеты показывают, что при риске брака менее 1 % и количестве звень-32-5935 457
ев более шести допуски на составляющие звенья можно расширить в 1,5—2 раза. В этом случае экономия от снижения точности обработки деталей может превосходить издержки производства на разборку и доводку небольшого количества некондиционных изделий. При высокой точности замыкающего звена и малозвенной цепи применяют метод групповой взаимозаменяемости. Если перечисленные методы неприемлемы, то сборку выполняют посредством пригонки или регулировки. В первом случае в чертежах изделия оговаривают, по каким поверхностям производят пригонку, во втором — в конструкции предусматривают соответствующий компенсатор. Пригоночные и регулировочные работы повышают трудоемкость сборки.
Темп сборки и тип производства. По технологическим схемам сборки узлов и общей сборки изделия выявляют основные сборочные операции, а затем определяют необходимое для их выполнения время Далее рассчитывают календарный темп (мин/шт.) общей и узловой сборки по формуле
f-60
N ’
где F — годовой фонд рабочего времени, ч; N — годовая программа выпуска изделий (узлов), шт. При односменной работе 2070 ч, при двухсменной F - 4140 ч.
При темпе, значительно превосходящем среднюю длительность операций, сборку ведут по принципу серийного производства. На одном рабочем месте периодически (партиями) собирают прикрепленные к нему различные изделия и узлы. При темпе, близком или меньшем средней длительности операций, сборку ведут по принципу массового производства, закрепляя за каждым рабочим местом определенную сборочную операцию. В этом случае сборка выполняется поточным методом.
Построение сборочных операций. Содержание операций сборки устанавливают так, чтобы на каждом рабочем месте выполнялась по возможности однородная по своему характеру и технологически законченная работа. Это способствует лучшей специализации сборщиков и повышению производительности их труда.
При последующем детальном проектировании сборочных операций уточняют их ранее намеченное содержание, выявляют последовательность и возможность совмещения переходов сборки во времени, определяют схемы установки и закрепления базового элемента изделия, устанавливают условия выполнения соединений, выбирают оборудование, инструменты и приспособле-498
(ия или составляют технические задания на их конструирование, станавливают режимы работы сборочного оборудования, опре-еляют нормы времени на операции и соответствующие разряды борщиков, составляют схемы наладок сборочного оборудования, :азначают технические условия на сборку элементов изделия.
Проектируя сборочную операцию, стремятся к уменьшению штучного времени. Это достигают применением высокопроизводительных инструментов и приспособлений с быстродействующими установочно-зажимными устройствами.
Большой эффект дает единовременное использование нескольких сборочных инструментов (многоинструментные схе-<ы) и приспособлений для закрепления нескольких собираемых )бъектов (многоместные схемы) В зависимости от порядка использования инструментов применяют схемы последовательного, параллельного и параллельно-последовательного выполнения; сочетание указанных признаков дает ряд схем от наименее производительных одноместных, одноинструментных, последовательных до наиболее производительных многоместных, многоинструментных, параллельных.
Значительное повышение производительности труда сбор-щков дают механизированные сборочные инструменты (винто-гайковерты, пневмомолотки, переносные устройства для за-рессовки и др.).
В крупносерийном и массовом производстве находит приме-ение высокопроизводительное сборочное оборудование (сбоечные автоматы и полуавтоматы, автоматические и полуавто-атические линии). За счет концентрации технологических пе-еходов производительность повышается в 5 раз и более и в 2—3 аза сокращается потребность в производственных площадях
На основе технологических расчетов устанавливают условия ыполнения сборочных операций (усилие запрессовки, усилие лепки, температуру нагрева при соединении с тепловым воз-ействием), определяют основные характеристики и размеры борочного оборудования и оснастки (тоннаж пресса, темпера-фу и объем рабочего пространства нагревательных устройств, ощность сборочных установок и др.), а также назначают ре-им работы сборочного оборудования.
Нормы времени на сборочные операции определяют по передам сборки, учитывая возможность совмещения переходов приемов. Длительность переходов устанавливают по нормати-iM оперативного времени с учетом времени на обслуживание 1бочего места и перерывов в работе.
499
Организационные формы сборки. При построении маршрута и операций сборки решают вопрос об организационных формах сборки, которая может быть поточной и непоточной. Поточная сборка более производительна: сокращает цикл производства и межоперационные заделы деталей, повышает специализацию сборщиков и возможность механизации и автоматизации производства, уменьшает трудоемкость изделий.
Перемещение собираемого объекта от одного рабочего места к другому при поточной сборке осуществляют:
— вручную (по верстаку, рольгангу, на тележках);
— посредством механических транспортирующих устройств, в этом случае транспортирующие устройства предназначаются исключительно для межоперационного перемещения собираемых возле них объектов;
— на конвейере с периодическим перемещением (пластинчатый конвейер, тележки, ведомые по рельсовому пути замкнутой цепью); в этом случае сборку производят на конвейере в периоды его остановки;
— на непрерывно движущемся конвейере, перемещающем собираемое изделие со скоростью, обеспечивающей возможность выполнения сборочных операций.
Поточную сборку при неподвижном объекте осуществляют на расположенных в технологической последовательности неподвижных стендах. Каждый рабочий (бригада рабочих) выполняет свою операцию, переходя последовательно от одного стенда к другому. Эту форму сборки целесообразно применять в серийном производстве при значительном штучном времени, в особенности для сборки тяжелых машин, перемещение которых затруднено.
Действительный темп при поточной сборке определяют с учетом потерь времени на обслуживание рабочих мест и перерывы в работе на поточных линиях:
т ___Т — Т
'Т' — см об п д j’cm
где 7^м — длительность рабочей смены, мин; Тоб — потери времени на обслуживание рабочих мест, мин; Т„ — потери времени на регламентированные перерывы для отдыха, мин; — заданный выпуск за смену, шт. •
500
При поточной сборке с неподвижным объектом, а также с передачей собираемого объекта от одного рабочего места к другому вручную или механическими транспортирующими устройствами и конвейерами с периодическим движением сумма оперативного времени и времени, затрачиваемого на переход рабочих от одного стенда к другому или на перемещение собираемого объекта от одного рабочего места к другому, не должна превышать действительного темпа сборки.
Практически для сборки на непрерывно движущемся конвейере принимают скорость в пределах 0,25—3,5 м/мин.
При поточной сборке конструкция изделия должна быть тщательно отработана и согласована с технологическими условиями поточного производства. Должно быть обеспечено бесперебойное, увязанное с темпом сборки снабжение сборочной линии взаимозаменяемыми деталями и узлами собираемого изделия. На линии поточной сборки допускают слесарно-пригоночные работы лишь в том случае, если они регламентированы по времени и увязаны с темпом сборки. В случае индивидуальной пригонки элементов изделия необходимо, чтобы таковые поступали на сборку спаренными.
Поточная сборка способствует повышению технологической культуры на всех этапах производственного процесса и росту производительности труда.
Технический контроль при сборке. При выполнении процессов сборки подвергают проверке: правильность взаимного положения элементов изделия, качество выполненных соединений (сила и момент затяжки резьбовых соединений, сила запрессовки, зазоры в сопряжениях, герметичность соединений, качество пригонки стыкуемых поверхностей и др.), правильность постановки деталей в соединениях, вес узлов и изделия в целом, уравновешенность вращающихся частей изделия и другие требования технических условий. В качестве средств технического контроля используют универсальные инструменты (щупы, индикаторы, динамометрические ключи и др.), а также специальные контрольно-измерительные устройства и приспособления. Контроль делят на приемочный и промежуточный. При приемочном контроле проверке подвергают все собранные изделия и наиболее ответственные узлы. Промежуточный контроль (сплошной или выборочный) производят после выполнения наиболее сложных операций и тех операций сборки, где высока вероятность брака.
501
Испытание машин после сборки. Заключительной, контрольной операцией технологического процесса изготовления машины является ее испытание. Различают приемочные, контрольные и специальные производственные испытания машин.
Приемочные испытания производят для определения фактических эксплуатационных характеристик машин (производительности, развиваемых мощности и числа оборотов, затраты горючего, геометрической точности и пр.), а также с целью проверки правильности работы механизмов и узлов (зубчатых, цепных и других передач, подшипников, уплотнений, регуляторов и т. п.).
Машина, поступающая на испытательную станцию, должна иметь сопроводительную карту, в которую контролеры сборки заносят данные о результатах производственной проверки узлов в процессе сборки. Правила и режимы испытаний определяются программой.
При испытании машины создают условия, близкие к условиям эксплуатации, и проверяют правильность действия органов управления, взаимную блокировку, надежность фиксации, отсутствие самопроизвольных смешений, заедания, провертывания и пр. Также проверяют безотказность действия и точность работы автоматических устройств (делительных механизмов, зажима и т. п.).
11.3. Виды сборочных соединений и методы их сборки. Средства механизации процессов
Вид соединения в конструкции изделия назначает конструктор при проектировании. По условиям эксплуатации соединения бывают подвижные разъемные, подвижные неразъемные, неподвижные разъемные, неподвижные неразъемные. Наиболее распространены разъемные соединения, однако в последние \ годы растет процент неразъемных соединений в связи с более широким использованием перемонтируемых сборочных единиц изделий. Соединения с гарантированным зазором собирают вручную или автоматически без приложения сил.
Соединения неразъемные неподвижные выполняют пластическим деформированием крепежных деталей, например заклепок, или соединяемых деталей (развальцовывание, обжимка, постановка шплинтов и т. д.), упругим деформированием соединяемых деталей (запрессовкой или тепловым воздействием).
502
Большое распространение получила постановка стопорных упругих колец, разрезных шайб, упругих защелок, пружинных фиксаторов, клемм и упругих элементов. На рис* 11.3 приведены примеры таких соединений.
Использование сил трения, обеспечивающих надежность выполненного соединения, применяется в резьбовых соединениях. [Кроме того, разъемные соединения осуществляют различными клиньями, коническими и цилиндрическими штифтами.
Соединения, выполняемые с помощью сварки, пайки, клея, заливкой деталей металлом или пластмассой, являются непод-вижными неразъемными и, как правило, осуществляются на 'промежуточных этапах механической обработки. На сборочных [операциях сварка допускается, если обработанные поверхности расположены достаточно далеко от швов.
; Основным средством механизации слесарно-пригоночных работ являются ручные машины, повышающие производительность труда в 3—10 раз по сравнению с ручным инструментом. Их окупаемость — 2—6 мес. Они просты и удобны в эксплуатации.
Ручные машины (механизированный инструмент) — группа технологических машин со встроенными двигателями, масса которых полностью или частично воспринимается руками оператора, управляющего машиной. Масса ручных машин — 1,5—10 кг.
Рис. 11.3. Виды соединений-
в — с разрезным стопорным кольцом J; б— клапан с разрезными сухариками 1 и пружиной 2, в — с подпружиненным развальцованным шариком, г ~ поршень-кольцо, д — крышка 1 с корпусом 2, собранные с помощью упругой защелки 3, ₽—откидная крышка 1 с пружинной защелкой 2, ж— упругий наконечник 1 с крышкой 2; з-~ дюритовый шланг / с металлическим патрубком 2
503
Для приведения в действие рабочего органа в ручных машинах используют пневматические (ротационные лопастные, турбинные, поршневые), электрические (постоянного тока, однофазные, трехфазные), реже гидравлические (ротационные лопастные, поршневые, винтовые) приводы.
По назначению различают ручные машины общего применения (сверлильные, шлифовальные и полировальные, фрезерные), для слесарно-доводочных работ (развальцовочные, развертывающие, зенковальные, опиловочные, ножницы, кромкорезы, шаберы, пилы по металлу, зачистные и рубильные молотки), сборочных работ (резьбозавертывающие, резьбонарезные, клепальные молотки, скобозабивные).
Сверлильная машина может служить не только для сверления, но и для зачистных, шлифовальных и полировальных работ при установке в шпиндель соответствующего рабочего инструмента. По исполнению сверлильные машины делят на прямые и угловые, используемые для работы в труднодоступных местах. Сверлильные машины иногда выполняют с несколькими скоростями вращения рабочего органа или с плавным регулированием его частоты вращения.
Шлифовальные машины применяют для снятия наплывов металла, удаления литников, зачистки сварных швов и заусенцев, а также полирования. Шлифовальные машины выпускают прямые и угловые. Наиболее распространены прямые шлифовальные машины с абразивными цилиндрическими кругами. Для зачистки, отрезки и полирования используют угловые шлифовальные машины с различными инструментами: чашечными абразивными кругами, металлическими щетками, абразивными дисками и подкладными эластичными кругами с абразивной шкуркой Для обработки больших поверхностей применяют ленточно-шлифовальные машины с бесконечной абразивной лентой. Для обработки плоских или металлических поверхностей небольшой кривизны используют плоскошлифовальные машины с рабочим органом — платформой, совершающей круговое плоскопараллельное движение. Рабочий инструмент у этих машин — абразивная шкурка.
В машиностроении применяют в основном клепальные и рубильные молотки. С помощью клепальных молотков производят клепку заклепок диаметром 3—32 мм. Применяя различные рабочие наконечники, клепальными молотками производят и другие работы, например запрессовывают детали, осуществляют зачистные работы, срубают старые заклепки и т. д.
504
* Пневматическими рубильными молотками выполняют рубку металла, чеканку, очистку отливок от литников, вырубку раковин, зачистку сварных швов и др. ' ч
Ножницы предназначены для прямолинейной и фигурной резки листового материала из стали, сплавов цветных металлов, пластмасс, резины и т.п. Различают ножницы ножевые, вырубные, дисковые и рычажные. Наиболее распространены ножевые И вырубные ножницы. У ножевых ножниц один нож подвижный, другой — неподвижный, а у вырубных ножниц материал последовательно просекается пуансоном.
При вырезании различных отверстий и деталей сложной конфигурации удобнее использовать вырубные ножницы, так как они не деформируют заготовку.
Фрезерные машины используют для образования пазов, гнезд, различных углублений в металлических, пластмассовых и деревянных деталях. Рабочий инструмент таких машин — пальцевая концевая фреза. К этой же группе машин относят механические шаберы и напильники, рубанки.
Ручные машины для сборочных работ выполняют в виде много- и одношпиндельных гайковертов. Основой многошпиндельных гайковертов являются резьбозавертывающие шпиндели (силовые головки), собираемые по агрегатному принципу совместно с пусковой и контролирующей аппаратурой. Многошпиндельные гайковерты применяют для резьб М3—МЗО, что соответствует моментам затяжки 20—500 Нм.
Многошпиндельные гайковерты выпускают заводы автомобильной и станкоинструментальной промышленности для собственных нужд. Многошпиндельные гайковерты компонуют на базе резьбозавертывающих силовых головок. Силовые головки снабжают встроенными двигателями (пневматическими, электрическими, гидравлическими), и, за исключением рукояток, они не отличаются от соответствующих ручных машин. Для встраивания в многошпиндельные гайковерты корпуса силовых головок имеют специальные фланцы или посадочные пояски. Для обеспечения заданной точности многошпиндельные гайковерты оснащают различными устройствами, обеспечивающими отключение соответствующего шпинделя при достижении заданного вращающего момента. При работе с многошпиндельными гайковертами точность момента затяжки 12—15 %.
Некоторые зарубежные фирмы выпускают пневматические двухскоростные силовые головки. Во время завертывания гайки по стержню болта шпиндель вращается с большой скоростью и
505
малым моментом. При соприкосновении торца гайки с деталью начинается затяжка, момент сопротивления на шпинделе увеличивается, срабатывает специальный механизм и шпиндель начинает вращаться с малой частотой и большим моментом. Применение такой системы позволяет уменьшить расход воздуха, мощность двигателя, а следовательно, и габаритные размеры силовой головки.
Во многих силовых головках шпиндель связан с приводом через муфту ограничения момента, которую можно настраивать на передачу вращающего момента в небольших пределах. К таким муфтам относят магнитные, кулачковые, шариковые, фрикционные.
На рис. 11.4 показана типовая пневматическая силовая головка ГСП-25-1. В корпусе 4 головки смонтированы планетарный редуктор 3 и пневмодвигатель 5. На шпинделе установлен подпружиненный патрон 7, для крепления головки предусмотрен фланец 2.
Для завертывания шпилек с помощью многошпиндельных установок выпускают пневматические силовые головки-шпиль-коверты (рис. 11.5). Головка 6 предназначена для резьбы М14. Наибольший вращающий момент на шпинделе — 48 Нм, расход ^воздуха — 1,2 м3/мин, масса головки— 2,1 кг. Вращающий момент от ротора передается шпинделю через двухступенчатый планетарный редуктор и механизм реверса 5. Каждая ступень редуктора имеет ведущее зубчатое колесо с внутренними зубьями и водило с двумя сателлитами. На резьбовом конце водила установлено вращающееся зубчатое колесо 4 с внутренними зубьями, являющееся ведущим в механизме реверса. Паразитные колеса 3, сидящие на осях 2 в неподвижном корпусе, зацепляются с центральным колесом, свободно вращающимся на шпинделе.
Рис. 11.4. Пневматическая силовая головка
50.6
Рис. 11.5. Пневматическая силовая головка-шпильковерт
При осевом нажатии на машину шпиндель, двигаясь назад, соединяется с кулачками выходного вала (водила) редуктора, получая правое вращение для завертывания шпильки. При прекращении нажатия он под действием пружины 1 перемещается вперед и зацепляется с зубчатым колесом механизма реверса, получая левое ускоренное вращение, и патрон 6 вывертывается со шпильки.
Массовым средством механизации процесса сборки резьбовых соединений являются ручные одношпиндельные резьбозавертывающие машины (гайковерты, винтоверты, шуруповерты, шпильковерты, муфтоверты и др.). Ручные машины выпускают с пневматическими ротационными двигателями, электрическими высокочастотными двигателями, а также с однофазными коллекторными двигателями нормальной частоты.
При сборке резьбовых соединений с помощью ударно-вращательных импульсов в основном используют ударные гайковерты, выполненные в виде ручных машин, которые оператор держит в руках в течение выполняемой работы. Отсутствие реактивного момента при работе ударных гайковертов позволяет применять их для сборки соединений больших размеров. Ударные гайковерты имеют высокую производительность; их используют при моментах затяжки свыше 50 Нм.
В отличие от гайковертов вращательного действия в ударных гайковертах использованы приводные двигатели меньшей мощности, что позволяет создавать легкие и портативные машины. Вместе с тем ударные гайковерты имеют низкую долговечность и повышенный уровень вибрации и шума.
Для соединений с пластическим деформированием применяют прессы для запрессовки, напрессовки и клепки.
Выбор пресса обусловлен расчетной силой запрессовки с коэффициентом запаса 1,5—2, размерами собираемых изделий и экономичностью. Большие значения коэффициентов применяют для прессов небольшой мощности, меньшие — для мощных.
507
Прессы по степени специализации делят на универсальные и специальные; по типу привода — на ручные и приводные. В качестве силового привода у ручных применяют реечные, эксцентриковые и винтовые механизмы; у приводных — пневматические, пневмогидравлические, гидравлические, механические и электромагнитные приводы.
Усилия, развиваемые одностоечными универсальными реечными прессами верстачного типа, достигают 30 кН, двухстоечными винтовыми прессами напольного типа — до 50 кН.
При сборке изделий небольших размеров широко применяют пневматические прессы прямого или рычажного действия. У пневматических прессов прямого действия силовой цилиндр устанавливают на аерхний фланец станины и крепят шпильками. При необходимости получить большее усилие на штоке применяют сдвоенный цилиндр. По таким схемам разработаны прессы с усилием 30, 60, 100 кН.
При большей силе запрессовки применяют гидравлические прессы.
В массовом и крупносерийном производстве применяют прессы специального назначения. На рис. 11.6 показана пресс-скоба, используемая для напрессовки подшипников. На сварной или литой станине 1 шарнирно установлен сдвоенный пневмоцилиндр 2, который передает силу запрессовки через рычаг 3 и ползун 4 на внутреннее кольцо подшипника. Пресс подвешивают на балансире над рабочим местом, а при выполнении операции устанавливают на изделие.
Для выполнения заклепочных соединений прессы подбирают по силе клепки с учетом конструктивных факторов пресса,
Рис. 11,6. Пресс специального назначения
Ркс. 11.7. Переносная гидравлическая пресс-скоба
50В
Определяющих удобство его применения. Для сборки малогабаритных изделий применяют стационарные прессы, для крупных — переносные установки. На рис. 11.7 показана переносная (гидравлическая клепальная пресс-скоба. Питаемая маслом при (давлении 6 МПа от насосной станции с использованием спарен-Ьгого гидроиилиндра диаметром 175 мм, она развивает усилие на |щтоке 280 кН, что обеспечивает формирование головки заклеп-1ки диаметром до 12 мм.
Г В сборочных цехах поточно-массового и поточно-серийного [•производства для межоперационного перемещения собираемых ['изделий широко применяют конвейеры и транспортеры различ-!ных типов.
I Подвесные конвейеры имеют три конструктивных разновид-1ности: грузонесущие, толкающие и грузоведущие. Для размеще-|ния подвесных конвейеров не требуется дополнительной производственной площади, а их большая протяженность обусловли-ввает возможность использования этих конвейеров не только в | качестве межоперационного транспорта, но и для межцехового, межкорпусного транспортирования грузов.
В конструкциях подвесных грузонесущих конвейеров (рис.
11.8, а) тяговый орган (цепь) соединен с каретками, переме-[ вдающимися по постоянной трассе подвесных путей. К карет-кам прикреплены подвески для транспортирования собирае-[ мых изделий.
а б
Рис. 11.8. Подвесные конвейеры: а — хрузонесущий; б—грузоведущий
509
Грузоподъемность кареток составляет 250, 500 и 800 кг, что позволяет перемещать собираемые объекты массой до 2000 кг при подвеске на четыре каретки.
Подвесные толкающие конвейеры (рис. 1L9) отличаются от грузонесущих тем, что грузовая каретка не соединена непосредственно с тяговой цепью и перемещается по отдельному (нижнему) пути. Грузовые тележки приводятся толкателями, связанными с тяговой цепью. Опорные ролики толкателей и тяговой цепи перемещаются по верхнему пути. Благодаря этому представляется возможным автоматически переводить грузовую каретку с одного участка конвейера на другой и обратно с помощью стрелочных переводов, использовать отдельные участки конвейера в качестве накопителей (подвесных складов), а также осуществлять передачу тележек с одной высоты на другую с помощью опускных и подъемных секций.
Стрелочными переводами управляют с помощью адресоно-сителей, расположенных на грузовых тележках, воздействующих на конечные выключатели при подходе к стрелке, а также с помощью электронных вычислительных машин при централизованном управлении.
Подвесные грузоведущие конвейеры (рис. 11.8, б) применяют для транспортирования собираемых изделий на напольной тележке. Напольная тележка приводится от подвесного конвейера с помощью захвата или толкателя. В последнем случае обеспечивается возможность автоматического адресования.
Рис. 11.9. Конструктивная схема ходовой части подвесного толкаюшего конвейера:
Z —тяговая цепь, 2 —опорные ролик» тяговой цепи; 3— верхний ходовой путь; 4— нижний ходовой путь; 5—толкатель; 6— грузовая тележка
510
Грузоведуший конвейер ГВК-100 имеет следующие характери-ики: грузоподъемность — 250 или 600 кг; наибольшая скорость иижения — 23,6 м/мин; наименьший радиус поворота — 1000 мм; говая цепь по ГОСТ 589—74; угол подъема трассы — до 10°.
Ленточные конвейеры применяют при сборке легких и мел-гх изделий в массовом производстве. Несущим органом явля-ся текстильная прорезиненная лента шириной 200—1000 мм, оторая скользит по гладкому деревянному или металлическому :астилу. Холостая часть ленты опирается на ролики. Скорость енточных конвейеров — 6—30 м/мин.
Пластинчатые конвейеры применяют для сборки изделий, е требующих специального базирования. Несущая часть их мевду приводными цепями покрыта металлическими пластинами. Длина пластинчатых конвейеров достигает 200 м при ширине настила от 400 до 1600 мм, скорость 1—5 м/мин. Пластинчатые конвейеры используют для сборки разнообразных изделий от мелких до сравнительно тяжелых, например для общей сборки автомобилей. Эти конвейеры выполняют вертикально замкнутыми; при этом рабочая часть расположена на уровне пола (при общей сборке автомобилей) или выше него (мелкие и средние изделия), а холостая ветвь находится в траншее ниже уровня пола.
Роликовые конвейеры (рольганги) применяют для межоперационного транспортирования в сборочных и механических цехах. Их часто используют также в качестве складов-накопи-гелей. Рольганги могут быть неприводные и приводные. В конструкциях рольгангов можно предусмотреть прямые и поворотные секции. Для поворота изделий, а также для передачи изделий с одного участка конвейера на другой применяют поворотные столы. В местах разветвления технологических потоков устанавливают стрелки, управление которыми может быть автоматизировано.
Для облегчения ручного перемещения собираемых изделий роликовые конвейеры делают с уклоном 1—3° в направлении транспортирования. Диаметры роликов предусмотрены в диапазоне 40—155 мм при ширине конвейера В — 160—1200 мм и расчетной нагрузке на ролик 584—19 600 Н.
Грузоаедущие напольные конвейеры могут быть непрерывно или периодически движущимися. Их применяют для сборки крупных изделий, имеющих собственную ходовую часть или располагаемых на транспортных тележках. Изделия или тележки с помощью захватов присоединяют к цепному транспортеру,
511
расположенному в траншее ниже уровня пола. Грузоведущие конвейеры бывают прямолинейными или замкнутыми. Замкнутые грузоведущие конвейеры более предпочтительны для сборки изделий на транспортных тележках, так как при сборке на прямолинейном конвейере необходимо предусматривать параллельный путь для возврата тележек.
11.4. Автоматизация сборочных процессов и агрегатно-модульный метод компоновки оборудования
Рост выпуска машин, а также узлов, поставляемых в запчасти, ужесточает требования к производительности сборочного оборудования. Высокие требования к производительности, как правило, удается удовлетворить путем создания специальных высокопроизводительных машин и линий сборки одного или нескольких родственных типов изделий. Однако постоянное совершенствование, модернизация и все более частое обновление объектов производства обусловливают необходимость применения гибкого и в определенной степени универсального оборудования. что препятствует концентрации сборочных переходов и соответственно достижению высокой производительности.
Для удовлетворения таких противоречивых требований необходимо, чтобы автоматизированное оборудование с оптимальной концентрацией операций обеспечивало возможность переналадки, в том числе и автоматической (при достаточно высокой производительности), небольшие сроки изготовления, его невысокую стоимость и приемлемые сроки окупаемости.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяет принцип агрегатирования оборудования, т.е. создание сборочных машин и линий из стандартных (унифицированных) узлов.
Агрегатное оборудование, как и специальное, обеспечивает высокую производительность, имеет более простую конструкцию, чем аналогичное специальное, позволяет легко автоматизировать как основные, так и вспомогательные операции. При необходимости перехода на сборку нового изделия требуются относительно небольшие затраты на переналадку агрегатного оборудования.
Преимущества агрегатирования сборочных машин и линий заключаются в следующем:
1. Появляется возможность создания оборудования по оптимальному технологическому процессу, поскольку в этом случае 512
вначале разрабатывается наивыгоднейший процесс сборки, а затем по этому процессу компонуют оборудование из готовых узлов. При этом нет необходимости приспосабливать технологический процесс под возможности ранее спроектированного оборудования, как это имеет место при использовании специальных или универсальных сборочных машин.
2. Сроки проектирования и сроки изготовления оборудования сокращаются в 6—10 раз по сравнению с созданием специальных сборочных машин.
3. Обеспечивается многократное использование большинства узлов сборочных машин при смене объекта производства, что способствует быстрой перестройке производства и совершенствованию конструкции собираемых изделий.
4. Имеется возможность постоянного совершенствования конструкций узлов самого сборочного оборудования, поэтапной автоматизации процесса за счет постепенного встраивания новых, более совершенных исполнительных механизмов и устройств автоматизации.
5. Агрегатирование позволяет выполнять различные операции сборки, сварки, обработки, контроля, регулирования и другие операции в одной сборочной машине, создавая тем самым возможности для комплексной автоматизации производства.
6. Компоновка различных сборочных машин и линий из ограниченного набора узлов и деталей повышает серийность изготовления этих узлов, позволяет применять высокопроизводительное оборудование при их изготовлении, Что существенно снижает стоимость сборочного оборудования.
Вследствие этих преимуществ агрегатно-модульный принцип создания сборочных машин и линий становится одним из основных направлений автоматизации сборочного производства.
Типичный пример полуавтомата, спроектированного НИИТавтопроме из унифицированных узлов и устройств для завертывания резьбовых шпилек, показан на рис. 11.10. Полуавтомат предназначен для сборки крышки распределительных зубчатых колес со шпильками и имеет следующую техническую характеристику:
Время цикла, с .............................14
Крутящий момент, Нм ........................20—60
Число одновременно завертываемых шпилек ....... 8 Размеры шпилек, мм ......................... М8х18, М8х22, М8х40
Габаритные размеры, мм .................. 2000x1390x1600"
Масса, кг...................................2900
33-5935
513
Рис. 11.10 Компоновка резьбозавертываюцего полуавтомата из унифицированных элементов
1 — стол силовой, 2 — пневмогайковерт, 3 — механизм выключения вращения шпинделей, 4~ вибробункер, 5 — шпиндель, 6— патрон, 7~ механизм ориентации шпилек по шагу резьбы, 8 — механизм ориентации шпилек по длине резьбовых концов и шагу резьбы, 9~ кулачковый захват, 70 —механизм подачи захватов, 77 —стол поворотный, /2—клещевой захват, J3 — механизм поворота захватов
Крышку устанавливают и снимают вручную, шпильки подаются из вибробункеров, ориентируются по длине и с помощью пневмошпильковертов заворачиваются в крышку Полуавтомат может быть перекомпонован для другого изделия.
Создано множество таких резьбозавертывающих машин.
Применение такого оборудования позволило в 1,5 раза повысить производительность труда, обеспечить высокое качество сборки, надежность работы сборочных машин, улучшить условия труда рабочих-сборщиков
Сборочные агрегатные машины проектируют как однопозиционные, так и многопозиционные с поворотными столами. Они предназначены для сравнительно несложных по конструкции изделий, выполнения небольшого количества сборочных переходов. 514
Для сборки более сложных изделий, состоящих из нескольких десятков деталей, проектируют сборочные линии с различными видами транспортных устройств. Сборочные линии являются сегодня наиболее совершенным видом сборочного оборудования
Вначале сборочные линии строили по тем же принципам, что и автоматические линии для механической обработки деталей, и, как правило, из тех же конструктивных элементов' станин агрегатных станков, силовых столов, силовых головок, которые вместо режущих инструментов оснащались механизмами для выполнения сборочных операций.
В качестве транспорта использовали механизмы шагового перемещения. Такт линий был одинаковым (синхронным) для всех позиций, а компоновка — простая, линейная. Постепенно компоновки сборочных линий стали значительно сложнее (рис. 11 11)
С ростом выпуска изделий вместо линейных однопоточных компоновок все шире стали проектировать линии, состоящие из одинаковых параллельно работающих потоков
Однако дублировать все позиции, включая те, которые обеспечивают возросший выпуск изделий, дорого Поэтому потоки обрабатываемых деталей и собираемых изделий начали разделять в соответствии с длительностью работы позиций. Появились линии с ветвящимися (параллельно-последовательными) потоками
Вместе с тем автоматизировать в сборочной линии все операции оказалось не всегда возможно, а зачастую и нецелесообразно с точки зрения надежности или экономичности сборки Поэтому в автоматизированные сборочные линии наряду с автоматическими позициями включают позиции, где ряд операций выполняют рабочие вручную Так как автоматические операции обычно выполняются быстрее, чем ручные, то такт линии определяют ручные позиции. При этом такт зависит от готовности рабочих к сборке, т.е очередное перемещение собираемых изделий происходит только после того, как каждый рабочий закончит весь набор переходов В результате линия работает с тактом лимитирующей в данный момент позиции, что приводит к снижению ее производительности Избавиться от этого недостатка позволили сборочные линии с несинхронным тактом — несинхронные сборочные линии (НСЛ). Появление НСЛ стало микрореволюцией в сборочной автоматизации Эти линии развиваются на основе тех же структурных схем, что и синхронные линии (СЛ).
зз*
515
nA»'*
Рис. 11.11. Типы компоновок несинхронных сборочных линий: а —с конвейером, замкнутым в вертикальной плоскости; б—с вертикально замкнутым конвейером и вынесенными позициями ручной сборки, в — с горизонтально замкнутым конвейером, г—с горизонтально замкнутым конвейером и вынесенными позициями ручной сборки
Гибкие связи между позициями в НСЛ дают возможность в одном потоке успешно сочетать сборочные операции, выполняемые как автоматически, так и вручную. Как правило, такие линии состоят из отдельных (модульных) рабочих позиций, соединенных между собой замкнутым, непрерывно движущимся транспортным устройством с «плавающими» приспособлениями-спутниками, на которых размещаются собираемые изделия. 516
| Отсутствие жесткой связи между приспособлением-спутником и |транспортером, наличие свободного пространства между рабочими позициями позволяют создавать небольшие запасы соби-ьраемых изделий, обеспечивающие независимую (несинхронную) [работу позиций. В качестве движущего элемента используют F цепь или ленту, иногда приводные и гравитационные лотки.
| Применение НСЛ улучшает условия труда, так как исключа-[ ет непосредственную синхронизацию действий рабочего с рабо-| той механизмов, тем самым снижая его утомляемость и нервное [ напряжение, вызванное опасением не выполнить операцию за | отведенное время.
Г Однако основным преимуществом НСЛ является производи-| дельность — на 10—30 % более высокая, чем у синхронных линий.
Е Объясняется это тем, что на НСЛ собираемые изделия меж-* ду позициями перемещаются сразу же после окончания выпол-f нения каждой операции независимо от степени готовности опе-। раций на других позициях, а ритмичность работы достигается i путем использования межпозиционных накопителей (неболь-' шого числа спутников с собираемыми изделиями, находящими-i ся между позициями). Другими словами, при остановке или за-/ держке в работе какой-либо позиции остальные продолжают ра-:• ботать еще некоторое время (до опустошения предыдущего накопителя или до заполнения последующего).
Фактическая производительность НСЛ может изменяться | довольно в широких пределах и зависит от величины и соотно-j шения параметров, определяющих ее компоновочные характе-- ристики: количества рабочих позиций, их надежности, рассеивания времени выполнения отдельных, выполняемых вручную ( операций, емкости межоперационных накопителей и т.п. Таким образом, очень важно оценить производственные возмож-? ности НСЛ уже на стадии проектирования, так как ошибки в ’ определении ожидаемой производительности могут повлечь за собой дополнительные расходы средств и времени для внесе-‘ ния изменений по результатам промышленных испытаний I либо неоправданное завышение стоимости линии из-за услож-J нения ее структуры, неполной загрузки оборудования, увеличе-< ния габаритов, производственных площадей и металлоемкости конструкции. Важно также выбрать рациональную структуру и [ параметры линии, обеспечивающие заданную программу вы-пуска изделий требуемого качества с наименьшими стоимост-I ными затратами.
517
На надежность работы НСЛ также оказывает влияние количество приспособлений-спутников, используемых в линии.
Развитие транспортных систем линий сборки1. Необходимость создания межпозиционных запасов потребовала изменения транспортных устройств для перемещения собираемых изделий. На смену периодически включаемым механизмам шагового перемещения пришли механизмы непрерывного перемещения без жесткой кинематической связи между транспортером и собираемыми изделиями или спутниками, на которых они собираются. Такая конструкция позволила останавливать изделия или спутники перед позициями НСЛ без остановки транспортного устройства.
Наибольшее распространение в НСЛ получили транспортные устройства с приводными рольгангами с фрикционными роликами; устройства с полиамидными лентами, проскальзывающими под спутниками при их остановках; устройства с цепями с трехрядными роликами, крайние из которых катятся по направляющим, а средний проворачивается и катится при остановке спутника по нижней его направляющей.
НСЛ, несмотря на очень существенные преимущества, имеют ряд недостатков, причем проблемы возникают в следующих случаях:
J микрозаделы истощаются быстрее, чем удается устранить отказ, и тогда линия останавливается;
Jдлительность какой-либо операции, не поддающейся дифференциации, превышает такт, рассчитанный из условий необходимой производительности; введение дублирующих позиций обычно конструктивно сложно;
Jдлительность ручной операции иногда значительно меньше такта (низкая загрузка рабочего-сборщика).
Усложнение структур и компоновок НСЛ. Желание избавиться от этих недостатков НСЛ привело к созданию других, более эффективных компоновочных решений автоматизированных сборочных линий.
Примером такой линии является автоматизированная линия, созданная АМО ЗИЛ, для сборки верхнего корпуса карбюратора, в которой, кроме традиционно выполняемых сборочных операций, автоматически осуществляются подача и приклепывание кронштейна троса воздушной заслонки, установка фибровых шайб, пневмовихревое нажиаление клапана подачи топлива
Подробно в статье В.М Бедрина и А.И Дащенко//Наука — производству. 1999 №10
518
и завинчивание его с регламентируемым усилием и контролем положения торца, наживление и завинчивание штуцера с конической резьбой, лазерная сварка воздушной заслонки, контроль герметичности собранного изделия. Характерной особенностью этой линии является то, что ее транспортная система состоит из основной ветви, по которой в любой последовательности движутся спутники с собираемыми изделиями, и параллельных ей дополнительных ветвей, на которых расположены позиции для выполнения технологических операций.
Транспортная система линии выполнена горизонтально замкнутой с приводными рольгангами с фрикционными роликами.
Спутники, находящиеся на основной ветви транспортной системы, в каждый момент закодированы кодом следующей операции и обеспечивают передачу собираемых изделий в заданной последовательности между технологическими позициями, а также являются носителями межоперационных заделов.
При остановках спутников на секциях транспортной системы ролики благодаря радиальному зазору не вращаются, а пробуксовывают на постоянно вращающихся приводных осях. Тяговое усилие роликов определяется усилием натяжения пружины, расположенной между ними.
Для передачи спутников с основной ветви транспортной системы на дополнительную и обратно предусмотрены секции передачи со сдвижными каретками.
Для изменения направления движения спутника по транспортной системе предусмотрены секции, применение которых обеспечивает движение спутника всегда одной и той же стороной вперед, что упрощает конструкцию рабочих позиций и устройств системы кодирования спутников. На сдвижных и поворотных каретках, на секциях транспортной системы перед ними и на технологических позициях расположены остановы для спутников.
Система кодирования в линии имеет программоноситель на каждом спутнике, выполненный в виде блока переключаемых кулачков, считывающие устройства на транспортной системе и устройства для перекодирования на технологических позициях.
При этом спутник получает код, соответствующий адресу следующей технологической позиции, куда он должен быть направлен. После выполнения технологической операции спутник расфиксируется и с помощью секции передачи спутников, расположенной за технологической позицией, выдается на основную ветвь транспортной системы.
519
Технологические позиции в линии могут располагаться в любой последовательности. Продолжительность выполнения операций на той или иной позиции может быть любой, и если она больше такта работы линии, то вводятся дублирующие позиции, расположение которых в линии также не регламентируется последовательностью выполнения технологических операций. При этом спутник может заходить на одну и ту же позицию несколько раз. Все это обеспечивает очень высокую гибкость технологического процесса сборки. Конструкция транспортной системы и значительный объем памяти программоносителя спутника позволяют собирать на таких линиях одновременно несколько различных изделий, соединять линии с другими подобными, передавать спутники с одной линии на другую, создавая тем самым гибкие автоматизированные производства.
Модульный принцип — основа создания сборочных линий. Дальнейшее развитие описанной несинхронной модульной транспортной системы привело к объединению модулей в функциональные блоки. При конструктивной проработке выявились два основных блока-модуля: технологическая станция и станция передачи спутников между основной и дополнительной ветвями транспортной системы. Эти модули являются полностью автономными, каждый имеет свою станину и систему управления, включаемую поступающим на станцию спутником с соответствующим кодом.
Технологическая станция (рис. 11.12) имеет расположенные на общей (сваренной из труб прямоугольного сечения) станине секцию основной ветви транспортной системы для перемещения по ней транзитных спутников и секцию дополнительной ветви транспортной системы, на которой расположены механизм для подъема, фиксации и перекодирования спутников и механизмы для остановки спутника перед технологической позицией и на ней.
На этой же секции имеются базирующие элементы-гнезда для установки различных технологических, ориентирующих, силовых или контрольно-испытательных устройств. Здесь же, как правило, устанавливается система управления, включающая программируемый контроллер и блок управляющих пневмораспределителей.
Станция передачи спутников (рис. 11.13) между основной и дополнительной ветвями транспортной системы имеет расположенную посредине сдвижную каретку с роликами, перемещае-520
Рис. 11.12. Модуль «Технологическая станция»:
7—секция основной ветви транспортной системы, 2— секция дополнительной ветви транспортной системы, 5—механизм для подъема, фиксации и’перекодирования спутников; 4 — механиз для остановки спутника, 5 — система управления
мую между основной и дополнительной транспортными ветвями. На каретке расположены спаренные остановы с Г-образны-ми рычагами, раскрываемые в крайних положениях каретки.
На этой же станции располагаются система управления и силовая установка для привода участка транспортной системы, состоящего обычно из нескольких технологических и передающих станций. Справа и слева от каретки расположены роликовые секции основной и дополнительной транспортных ветвей. На секциях слева имеются устройства для считывания кода спутника и для остановки спутника на той или другой ветви перед кареткой.
Секция дополнительной ветви позволяет создать микрозадел спутников перед технологической позицией, расположенной после станции передачи спутников, имеет конечный выключатель, контролирующий наличие на ней спутника. Как только спутник
521
Рис. 11.13. Модуль передачи спутников между основной и дополнительной ветвями транспортной системы:
1 — секция основной ветви транспортной системы, 2—-секция дополнительной ветви транспортной системы, 3 — сдвижная каретка, 4 — спаренные остановы; 5 — система управления, 6 — силовая установка
переместится на технологическую станцию, конечный выключатель включает считывающее устройство на секции основной ветви транспортной системы. При этом происходит поиск спутника с нужным кодом в потоке движущихся по ней в любой последовательности спутников.
Таким образом, эта станция осуществляет функции транзитного перемещения спутника по основной ветви транспортной системы, пропуск спутника по дополнительной ветви от одной технологической станции к расположенной по соседству другой, передачу спутника с основной ветви транспортной системы иа дополнительную, с дополнительной ветви транспортной системы на основную, 522
> В качестве дополнительных блок-модулей в транспортную Iсистему могут включаться станция для изменения направления движения спутников с поворотной кареткой и промежуточная станция, устанааливаемая между расположенными рядом технологическими станциями. Промежуточная станция служит для г удобства работы на технологических станциях, удобства их обслуживания или установки элементов привода транспортной системы либо системы управления, расположенной рядом с технологической станцией.
i Примером автоматизированной сборочной линии, построен-• ной из таких модульных станций, служит линия для сборки автомобильного компрессора, спроектированная и изготовленная АМО ЗИЛ. Линия выполнена горизонтально замкнутой и вклю-1 чает несколько участков, каждый из которых состоит из технологических станций и имеет на входе и выходе станции для передачи спутников между ветвями транспортной системы.
Расположение участков не соответствует технологической последовательности, а обусловлено удобством обслуживания, подачи комплектующих деталей, а также тем, что зоны контрольных и контрольно-испытательных автоматов выделены из зоны сборки или обработки. В эту линию, кроме станции для выполнения сборочных и контрольно-испытательных операций, включены также станции для операций механической обработки, которые выполняются между сборочными операциями. Предусмотрены резервные позиции для возможности работы в ручном режиме при отказах какого-либо автоматического оборудования или для возможности изменения технологического процесса при сборке каких-либо не предусмотренных проектом модификаций собираемого изделия. В линии имеется 16 автоматических позиций для выполнения операций механической обработки и сборки, две полуавтоматические позиции, семь автоматических контрольно-испытательных позиций, шесть ручных, четыре резервные и две для устранения дефекте®. Предусмотрено 18 станций для передачи спутников с основной ветви транспортной системы на дополнительную и обратно.
Особенно эффективно использование таких линий при запуске новых изделий, так как имеется возможность поэтапной автоматизации операций. Вначале при небольшом объеме выпуска изделий сборка может выполняться на ручных позициях. По мере роста объема выпуска готовности могут включаться автоматические позиции. При этом необходимо только изменить адрес, и спутник с собираемым изделием будет направлен уже не на позицию ручной сборки, а на автоматическую.
523
Такое сборочное оборудование предназначено для одного изделия или нескольких однотипных, но компоновка его позиций из унифицированных элементов позволяет быстро перестраивать линии на изделия другой номенклатуры.
Область применения такого оборудования — массовое и крупносерийное производство.
Гибкие сборочные центры для серийного и мелкосерийного производства. Для сборки изделий серийного и мелкосерийного производства создают гибкие линии, а также отдельные сборочные центры. В качестве основных технологических агрегатов используют сборочные роботы (рис. 11.14).
Рис. Ц.14. Компоновка сборочных центров фирмы «Нокия»/ встраиваемых в гибкие сборочные системы
524
Варианты сборочных центров для изделий массой до 1 кг и габаритами не более 120 х 100 х 100 мм и встраиваемых в линии (могут работать и автономно) показаны на рис. 11.14. Они выполняют следующие функции: прием, распознавание и фиксацию спутников, перемещаемых по конвейеру, установку в спутники предварительно ориентированных базовых деталей изделия, установку и закрепление собираемых деталей, нанесение смазочного материала, склеивание, контроль действующих сил и моментов при закреплении деталей, запоминание результатов, расфиксацию и съем спутников, контроль качества сборки и сортировку изделий.
Робот имеет напольное и подвесное исполнения, шесть степеней подвижности, сервопривод постоянного тока. Точность позиционирования его +0,1 мм, грузоподъемность — 2,5 кг, масса —54 кг.
Сборочный центр другой компоновки, разработанный фирмой «Бош» (ФРГ), показан на рис. 11.15. Спутники / с базовой деталью подаются конвейером 2. Установку сопрягаемых деталей, подаваемых вибробункерами 3, осуществляет робот 4,
Рис. 11.15. Сборочные центры на базе роботов, перемещаемых по трем осям координат.
7 — спутники; 2— конвейер, 3— вибробункер, 4 — робот, 5 — 7—механизмы линейных перемещений по трем координатам, 8—блок ротации
525
имеющий механизмы 5, 6, 7 прямолинейного перемещения по трем координатам и ротационный блок 8 для поворота руки робота на 360°. Центр может оснащаться элементами технического зрения и техническими датчиками для распознавания расположения детали, контроля за их поступлением на сборку, а также контроля размеров сопрягаемых деталей. Благодаря широким возможностям робота и системы управления сборочный центр легко перепрограммируется на сборку различных изделий.
Для последовательной гибкой сборки сложных изделий создана сборочная ячейка из двух объединенных центров.
Из унифицированных элементов могут агрегатироваться не только линии, но и механизированные места сборщиков, как это показано на рис. 11.16 В условиях мелкосерийного производства такое решение, использующее достижения эргономики, требую-
Рис. 11.16. Механизированное рабочее место сборщика и элементы, из которых « оно компонуется
526
Рис. 11.17. Классификация сборочного оборудования в зависимости от уровня автоматизации операций и числа сборочных позиций, предложенная фирмой «Бош»
щее минимальных капиталовложений и существенно облегчающее труд сборщиков, в ряде случаев является наиболее экономичным.
Систематизировать сборочное оборудование по ряду общих признаков можно на основе классификации, предложенной фирмой «Бош» (рис. 11.17).
Главные из признаков — уровень автоматизации сборочных процессов (растет по вертикали) и число объединяемых рабочих постов, позиций (растет по горизонтали). С помощью классификации можно проанализировать качественные изменения таких параметров сборочного процесса, как затраты иа оборудование (капитальные и связанные с обслуживанием), серийность выпуска и степень сложности изделия, гибкость производства, удель-
527
Рис. 11.18. Области применения сборочных машин и линий различных типов 1 — ручная сборочная станция, 2— ручные сборочные линии с автоматическим транспортированием, 3 ~ гибкие сборочные линии, 4 — специальные сборочные автоматы, 5 — специальные сборочные автоматические линии, 6 — гибкие сборочные линии
ные расходы на зарплату и др. Такой подход в первом приближении позволяет технологу осуществить укрупненный выбор при решении конкретных задач автоматизации сборки, но при этом необходимы дальнейшие расчеты и обоснования. По диаграмме рис. 11.18 область рационального использования некоторых видов сборочного оборудования может быть уточнена с учетом требуемой степени гибкости производства и программы выпуска.
11.5. Основы проектирования автоматизированных процессов сборки
Выбор рационального маршрута сборки. Проектирование эффективных сборочных процессов с высоким уровнем автоматизации операций является сложной многовариантной задачей. Процесс решения такой задачи включает ряд взаимосвязанных этапов (рис. 11.19) — от отработки конструкции изделия на тех-528
нелогичность до синтеза компоновок сборочных машин и линий с последующим компьютерным моделированием нескольких близких к оптимальному вариантов компоновок линий для детального анализа их работы в условиях, близких к производственным. С этой целью рядом фирм и организаций разработаны алгоритмы и программы, сочетающие математические методы с опытом технологов-проектантов Одним из этапов, как видно из рис 11.19, является выбор рационального маршрута сборки изделия, который служит основой дальнейшего процесса проектирования.
Математические методы осуществления этого этапа сейчас разработаны в наименьшей степени, и чаще всего задача решается только на основе опыта технолога.
Сложность задачи связана прежде всего с тем, что процесс сборки многовариантен — при сборке одного и того же изделия допустимы различные маршруты сборки с использованием разных приспособлений, устройств и инструмента Противоречивость требований и наличие целого ряда неопределенностей, с которыми неизбежно сталкивается технолог, приводит к тому,
|Ввод|
Анализ и отработка на технологичность для автоматизированной сборки
-I Деление изделия на сборочные единицы
Разработка вариантов маршрута сборки изделия
Оценка уровня автоматизации сборочного перехода
Формирование сборочных позиций ............ "........'I.................... ~
Выбор сборочного агрегатного оборудования I
Оптимизация технологического процесса сборки изделия и компоновки оборудования ------------------- ! ------------------------- Графическое построение структурно-компоновочной схемы сборочного агрегатного оборудования
I
Стохастическое моделирование вариантов компоновки линий, близких к оптимальному
Вывод на печать
Рис. 11.19. Структурная схема комплексной системы проектирования процессов сборки изделий и компоновочных схем сборочного оборудования
34-5935
529
что неформальный анализ и поиск компромиссных решений занимают значительное место в процессе проектирования. Использование компьютеров при проектировании технологических процессов сборки позволяет преодолеть некоторые трудности, но обращаться за помощью к ним технолог может только после того, как технологические задачи формализованы, созданы математические модели. Кроме того, для проектирования оптимальных вариантов технологических процессов необходима разработка эффективных методик и алгоритмов поиска таких вариантов.
Общепринято описывать сборочный чертеж изделия на языке теории графов, записывая при этом условия базирования и условия свободного доступа деталей изделия к месту их установки с помощью символики математической логики. Это требует от технолога знаний основ теории графов. Такой подход во многом упрощает составление программ, выбора маршрутов при индивидуальной и групповой сборке изделий.1
Решение задачи генерирования допустимых маршрутов сборки изделия начинается с изучения и анализа его конструкции по сборочным чертежам и техническим условиям сборки. В результате такого анализа должны быть выявлены взаимосвязь частей изделий, условия их соединяемости и функционирования, выделены операции, оказывающие влияние на качество сборки.
Число возможных вариантов последовательности сборки изделия достаточно велико и резко возрастает с увеличением количества деталей. Если число деталей превысит определенный уровень, то даже эффективные методы генерирования таких вариантов начнут «пробуксовывать». В этом случае помочь может только декомпозиция задачи и представление ее наиболее экономным способом. Поэтому изучение конструкции изделия следует начинать с анализа ее состава. Так как крепежные, изолирующие и другие вспомогательные детали на выбор варианта схемы сборки алияния не оказывают, то на данном этапе они отдельно не рассматриваются. Кроме того, целесообразно своевременно расчленить конструкцию изделия на автономные части, сборку которых можно было бы проводить независимо друг от друга. При этом в дальнейшем каждую из них допустимо воспринимать как одно целое. Такие части называют элементами изделия — это его сборочные единицы, сборка и контроль которых могут производиться отдельно от самого изделия, и те его
1 См статьи А И. Дащенко, В.И. Матяша и др.//Наука — производству 1998 № 7. С 37 ~ 43
530
IlacTH, последовательность комплектования которых одновариантна по конструктивным или иным соображениям и их сборку производят не прерываясь. Элементами изделия могут быть и отдельные его детали.
Таким образом, суть предлагаемой методики в следующем. Вначале .конструкция изделия расчленяется на составные части (элементы изделия), на каждую из которых при генерировании маршрутов сборки можно смотреть как на одно целое. Сопря-ьгаемые элементы изделия, определяемые по сборочному черте-1жу, представляют граф сопряжений. После выбора базовой дета-| ли изделия по определенному алгоритму строится граф базирования, указывающий для каждого элемента изделия те элементы, сопрягаемые с ним, установка которых должна непосредственно предшествовать установке данного элемента. Далее в ре-вжиме диалога технолог — ЭВМ формируют граф ограничений, [учитывающий условия, выполнение которых гарантирует воз-[можность качественной сборки изделия в целом. Он призван за-[блокировать установку элементов изделия, допустимую по условиям базирования, в случаях затруднения выполнения последующей сборки или при нарушении качества уже выполненных I соединений.
I Завершается первый этап задачи объединением графов базирования и ограничений, в результате чего получают граф допус-[тимых переходов, включающий все условия и ограничения, которые технолог считает нужным принимать во внимание при генерировании маршрутов сборки.
На втором этапе разрабатывают алгоритм, позволяющий преобразовать граф допустимых переходов в дерево изделия, эершины дерева сборки соответствуют возможным состояниям процесса сборки, а его висячие вершины определяют искомые допустимые маршруты сборки изделия.
№ На заключительном этапе решения задачи из всех допусти-чых маршрутов производят отбор только тех, которые более все-о отвечают требованиям, предъявляемым к готовому изделию и процессу сборки его элементов. В результате получают множество рациональных маршрутов сборки изделия.
К В качестве примера рассмотрен автомобильный генератор переменного тока G-222 для автомобилей ВАЗ-2105, -07, содержащий девять элементов, три из которых включают по несколь-деталей (рис. 11.20).
531
Рис. 11.20. Общий вид автомобильного генератора G-222:
1 — резиновое кольцо; 2 — подшипник задний; 3 — конденсатор, 4 — корпус 0-вывода; 5 —щеточный узел, б—крышка задняя; 7—выпрямительный блок; 8 — вывод «+»; 9—статор; 10— ротор; 11— дистанционное кольцо, 12— первая крышка подшипника; 13 — подшипник передний; 14—крышка передняя, 15 — вторая крышка подшипника;
16 — шпонка (крепежные детали не указаны)
Граф сопряжений и состав элементов генератора представлены на рис. 11.21, где возле каждой вершины выписаны числа р (без скобок ) и X?* (в скобках).
Формирование маршрута сборки начинают с выбора базового элемента изделия, который является первым в маршруте. Для этого необходимо сформулировать требования, предъявляемые к таким элементам. Необходимо, чтобы фиксация базового элемента изделия не вызывала затруднений и проводилась удобным и надежным способом, а его масса должна быть достаточно большой. Важно иметь возможность подвода с разных сторон присоединяемых элементов и сборочного инструмента; сборку желательно вести сверху вниз. При этом следует учитывать возможность автоматизации и необходимость изменения баз при сборке и т. д. Обоснованию базового элемента изделия должны способствовать введенные числа р, Цр, К. Для генератора G-222 базовый элемент — задняя крышка а\ (рис. 11.21).
Взаимосвязь элементов изделия, которую призван отражать граф сопряжений, можно в определенной мере количественно оценить, подсчитав для каждой его вершины ее степень р, равную числу ребер, инцидентных этой вершине, число — сумму степеней всех вершин ей смежных и число К, совпадающее с числом поверхностей контакта элемента, стоящего за данной вершиной. Первые два числа характеризуют уровень взаимодей-532
"Л (JW________________
I *' J3C СЕ)
?
I Рис. 11.21. Граф сопряжений генератора: Vy
L- (6); й2-(5); Cj —(8,3), e4-(7); a5 - (9); 3^/
Ьб-(4); oi - (I, 2, 10, 11); е3-(14, 13, 12, 15);
F a9 — (16) х_У
ствия вершин графа, а третье позволяет судить о возможности ведения параллельной сборки с разных сторон.
Дерево сборки для графа допустимых переходов генератора G-222, приведенное на рис. 11.22, содержит десять маршрутов сборки. Необходимо выбрать из этого множества маршрут или маршруты сборки, обладающие какими-либо преимуществами по отношению к другим.
I Висячие вершины дерева сборки задают множество допустимых маршрутов сборки изделия, из которых необходимо выделить рациональные маршруты и маршруты к ним близкие. Действия при выборе таких маршрутов во многом аналогичны действиям при выборе базового элемента изделия. Вначале формулируют условия, которые отличают рациональные маршруты, [расположенные в порядке предпочтительности.
I Существенную помощь могут оказать при этом веса дуг дерева сборки изделия. Вначале выявляют элементы изделия, от ['установки которых более всего зависят качество и точность [сборки, и определяют режим «наибольшего благоприятствова-|ния». Далее при прочих равных условиях выбирают маршруты, у [которых среди весов и дуг больше единиц и меньше минимальных оценок. Имеет значение и общий вес всех дуг маршрута: |чем он больше, тем лучше. Кроме того, предпочтительнее мар-Кшруты сборки, допускающие параллельную сборку как можно (большего числа элементов изделия. Необходимо также учитывать свободу подвода к месту установки присоединяемых эле-li ментов и сборочных инструментов с разных сторон и возможность вести сборку «сверху вниз». Большое значение играет воз-I можность автоматизации.
к Замечательное место при выборе маршрутов сборки занимает анализ последовательности установки элементов изделия с [•точки зрения требований, предъявляемых к оборудованию, используемому при сборке. Здесь учитываются потребность в спе-f 533
Рис. Il 22. Дерево сборки генератора
циальном оборудовании и специфические условия сборки (сварка, склеивание, клепка на прессах и т.п.)
Если аь аг а„ — критерии, по которым отбираются рациональные маршруты сборки, записанные в порядке их значимости, то, оценив (взвесив) каждый маршрут по этим критериям, например с помощью экспертной оценки, маршруту ставится в соответствие вектор, координаты которого представляют собой определение выше веса. Произведя упорядочение 534
। этих векторов, допустимые маршруты сборки расставляют в ’Порядке предпочтительности, что позволяет отобрать среди них > наиболее рациональные.
На полученном дереве для каждого ребра расставлены «веса», позволяющие судить о преимуществах присоединения того или другого элемента. Веса расставляют исходя из двух [ критериев, один из которых позволяет оценить доступность к месту сборки как вручную, так и механизированным и автоматизированным инструментом, а другой дает возможность судить о необходимости смены инструмента, осуществляющего сборку, либо перебазирования собираемого изделия по отношению к инструменту (что не обязательно приводит к смене основных технологических баз сборки).
Если для оценки маршрутов подсчитать сумму весов всех ребер, входящих в ветвь, то наивысшую оценку 7,9 единиц имеет маршрут сборки 6—4—7—8—3—9—1—2—10—11—14—13—12—15—16—5. Выбрав допустимое значение границы оценки, например 7,7 единиц, можно выделить группу маршрутов для дальнейшей проработки, а остальные отбросить как менее рациональные
Аналогичную методику используют и для выбора рациональных маршрутов групповой сборки изделий.
Предложенные критерии позволили упорядочить полученные маршруты в соответствии с характеристиками изделий, описываемыми данными критериями.
Выбор уровня автоматизации процесса сборки и структурно-компоновочных схем оборудования. Любая автоматизированная система машин, в том числе и сборочная, может быть построена по многим вариантам, различающимся методами и последовательностью выполнения операций, степенью дифференциации и концентрации операций технологического процесса, типами и конструкцией применяемых механизмов, видами межагрегатной связи, структурно-компоновочными схемами.
Построение агрегатных сборочных машин по различным схемам, объединение разного числа элементарных операций в каждой из них, изменение уровня автоматизации приводят к изменению трудоемкости сборки изделия, надежности и стоимости сборочных автоматов, занимаемой ими производственной площади, числа рабочих-сборщиков, себестоимости сборки и других характеристик процесса. В конечном итоге степень концентрации операций, выбранные схемы сборочного оборудования и уровень автоматизации оказывают решающее влияние на экономическую эффективность сборочных процессов.
535
На рис. 11.23 показана одна из характерных зависимостей годовых затрат Зу на сборку топливного насоса дизеля КамАЗ от уровня автоматизации операций (кривая I) и степени их концентрации (объединения) на сборочных позициях (машинах), кривые 2—5.
На затраты Зу в наибольшей степени влияет уровень автоматизации процесса. Анализ вариантов процесса и схем сборочных Машин показывает, что для рассматриваемого на рис. 11.23 примера трудоемкость сборки насоса уменьшается в 7 раз, число рабочих — в 5 раз, стоимость оборудования — в 27 раз, годовые затраты на сборку — в 3,5 раза.
Очевидно, что поиск оптимального решения существенно затрудняется не только из-за большого числа вариантов, которые необходимо рассмотреть, но и большого числа параметров, которые необходимо рассчитать для оценки каждого варианта.
Решение этой задачи традиционным методом, т. е. сравнением двух-трех конкурирующих вариантов, выбранных на основе опыта и интуиции проектанта, не всегда эффективно, так как оптимальный вариант может и не попасть в число рассматриваемых. Полный перебор всех возможных решений нецелесообразен даже с использованием компьютера, так как исходные данные по каждому варианту могут быть получены только после их подробной проработки, что существенно увеличивает трудоемкость проектных работ.
Рис. 11.23. Зависимость критерия оптимизации 3, от уровня автоматизации процессов сборки (/) и степени концентрации сборочных операций (2—5). Процессы сборки
Р _ ручные, М — механизированные; Па — полуавтоматические; А — автоматические
536
Следовательно, необходима разработка такого метода направленного поиска наилучшего варианта, который позволил бы на самой ранней стадии проектирования технологического процесса при минимальном числе исходных данных определить необходимую совокупность технически целесообразных вариантов схем сборочного оборудования с эффективным уровнем автоматизации, а затем путем их отбора произвести выбор такого, который обеспечил бы заданную программу выпуска и качество сборки изделия с наилучшими экономическими показателями.
Разработанный в МГТУ МАМИ метод основан на применении дискретного математического программирования при пошаговом способе оптимизации. В большинстве случаев наилучшее решение определено уже на третьем шаге поиска. Расчет критерия оценки вариантов на каждом из трех шагов ведется по формулам, которые связывают главные параметры технологического процесса (трудоемкость, производительность, надежность, стоимость сборочного оборудования, себестоимость сборки и др.) с затратами Зу на годовой выпуск продукции:
м м
3, = Nr^+5>SmTt +(аЛА/^) + £„2«,А]. /=1 /=1
где NT — заданная годовая программа выпуска; М — общее число операций сборки изделия; (Р + S) — коэффициенты, характеризующие тип производства; 5ОП — тарифная ставка рабочего-сборщика с учетом начислений; — трудоемкость выполнения операций; а — процент амортизационных отчислений; А, — стоимость оборудования; а, — число одинаковых станков на г-й операции; Еи — нормативный коэффициент экономической эффективности.
При направленном поиске система оценок критерия 3, построена таким образом, что с увеличением числа шагов возрастает число учитываемых параметров, повышается точность их расчета. Поэтому для одного и того же варианта значение 37 от шага к шагу только увеличивается. Вместе с тем на каждом шаге параметры процесса определяются так, что обеспечивают получение наименьшего значения оценки для каждого рассматриваемого варианта. Это позволяет вести направленный поиск по результатам анализа одного варианта-представителя, выбранного по определенному правилу, исключать из рассмотрения (или, наоборот, оставлять для дальнейшего анализа) другие варианты рассматриваемого класса схем сборочных машин.
537
Метод направленного поиска состоит в том, что все множество допустимых решений вначале разбивают на группы (группа характеризует уровень автоматизации процесса), а затем каждую группу — на классы. Классы характеризуют степень концентрации элементарных сборочных операций. Оценивая по приведенным формулам [Дащенко, Золотаревский и др., 2002], один вариант-представитель группы (на первом шаге) или класса (на втором шаге) и сравнивая эту оценку с оценками других групп, оставляем для дальнейшею поиска ту область, в которой значение критерия на данном шаге минимально. Таким образом, в каждой группе, каждом классе и подклассе схем прорабатывают и оценивают не все варианты, а лишь один представитель, позволяющий получить минимальное значение критерия для своей области. Вследствие этого на каждом шаге область поиска сужается, исключается из рассмотрения все большее число возможных, но не достаточно эффективных решений, а поиск в конечном итоге (обычно это бывает на третьем шаге оптимизации) приводит к варианту с наименьшим значением критерия 3/.
Но не может ли оказаться наилучший вариант в области, которая на одном из шагов исключается из рассмотрения? Ответ на этот вопрос проектант получает в конце процедуры поиска, сравнивая значение Зопт для оптимального варианта со всеми остальными значениями затрат, подсчитанными в результате поиска. При Зопт < 3, найденный вариант оптимален. Если есть область, где Зопт > 37, необходимо к ней вернуться, уточнить оценку «конкурирующего» варианта и, сравнив результаты, принять окончательное решение.
Таким образом, разработанный метод поиска требует проработки и оценки минимально возможного числа вариантов для того, чтобы найти оптимальный; подробно прорабатывают два-три варианта только на последнем шаге решения задачи. По сравнению с методом полного перебора в десятки раз уменьшается трудоемкость расчетно-проектных работ. Использование персонального компьютера в режиме диалога «проектант — компьютер» позволяет избавить специалиста-технолога от однообразной расчетной работы, оставив за ним только творческую ее часть: разработку и анализ вариантов, принятие окончательного решения.
Численный пример оптимизации технологического процесса и структурно-компоновочных схем агрегатного сборочного оборудования для топливного насоса дизеля КамАЗ приведен на рис 11.24. Вариант, обеспечивающий минимальные затраты Зу на сбор-538
a
б
Рис. 11.24. Дерево возможных вариантов (а) технологического процесса сборки и схема направленного поиска на компьютере оптимального варианта (б)
ку 300 тыс. насосов в год. найден по результатам анализа девяти вариантов из нескольких десятков возможных. При этом детальная проработка и точная оценка потребовались только для двух вариантов на третьем шаге решения задачи, т. е. оптимальное решение получено при минимальной трудоемкости проектных работ.
Использование компьютера способствует накоплению и обобщению опыта предыдущих решений (в памяти накапливаются данные об оптимальных процессах сборки изделий и соответствующих им схемах сборочного оборудования для различных программ выпуска изделий), что в дальнейшем еще более сокращает область поиска.
Разработку вариантов при оптимизации осуществляют на основе классификации процессов по уровню механизации и автоматизации операций сборки (табл. 11.1) и классификации структурных схем агрегатного сборочного оборудования. Все
539
схемы подразделены на три класса: KZ — оборудование для сборки в одной позиции, KZZ — многопозиционное оборудование (сборочные машины с поворотными столами или линии с жесткой связью между позициями), КН/ — сборочные системы из многопозиционных автоматов или линий, гибко связанных между собой.
Таблица 111 Классификация процессов сборки деталей по уровню механизации и автоматизация
Процессы сборки Элементы сборочных операций Оборудование для сборки
Ручные Р Р Р Р Р Верстаки, слесарный инструмент, приспособления
Частично механизированные Р Р Р М Р Ручной механизированный инструмент
Механизированные Р Р Р м м Прессы
Полуавтоматиче- Р М М м м Отдельные сборочные машины с
ские М м м м р автоматическим циклом, но с ручным кассетированием собираемых деталей Ручной механизированный инструмент с автоматической подачей крепежа
Автоматические А А А А А Отдельные сборочные машины с автоматическим циклом, включая ориентацию и подачу собираемых деталей
Примечание Р — вручную, М — механизмами, А — автоматическая
Каждый класс включает три подкласса в зависимости от последовательной (Пс), параллельной (Пр) или параллельно-последовательной (ПрПс) концентрации операций сборочного процесса Иерархия построения классификации такова, что каждый последующий класс может включать схему любого из трех предыдущих подклассов Кроме того, каждая из представленных в классификации схем имеет модификации Кроме сборки одного изделия в каждой позиции, возможны одновременная сборка одинаковых изделий, последовательная сборка разных изделий с переналадкой позиции и одновременная сборка разных изделий на позиции. При таком построении классификация систематизирует по признаку концентрации операций ие только существующие, но и возможные, еще не реализованные схемы сборочного оборудования
Первичной информацией для разработки вариантов структуры сборочного процесса и схем сборочного оборудования служат чертежи изделия и его составных элементов (рис 11 25),
Допустимые варианты объединения механизмов В параллельно работающие блоки
___
ГвЛшШшП 1
—1-----------------------
ЩезЕзь1; | \E2E4E6Eb\№] Iglg
ЕЛ
Таблица элементарных операций
-Л-в
D
Е F
Зп — завинчивание, Зп запрессовка, Кл—клеймение. Ус — установка
Варианты технологического процесса, сравниваемые на 2-м таге
Вариант 14 " " " ’
ЕЖ2
D1D3D5
D7EIE3
BIB2
83 В4
Ё6Е8
С1С2
Вариант 16
Вариант 17
\В1В2ВЗ\ |В4В5Вб|
1В1Л2 I la a I
D8E2E4\
fiSEL-J
Вариант 18
F1
Рис. И 25. Генерирование вариантов структуры процесса сборки топливного насоса
о — схема сборки топливного насоса, б—таблица элементарных операций « — варианты технологического процесса, сравниваемые на втором шаге
программа выпуска, технические характеристики оборудования, нормативы времени на выполнение операций и др
Элементарные сборочные операции, выполняемые с каждой стороны изделия, обозначены соответствующими кодами, проанализированы ограничения на одновременное и последовательное выполнение операций, целесообразные схемы базирования изделии при сборке На рис 11.25 представлена информация о необходимых сборочных переходах до полной сборки изделия, даны варианты структуры сборочного процесса, необходимые для оптимизации процессов по уровню механизации и автоматизации операций сборки (см табл. 11 1) и классификации структурных схем агрегатного сборочного оборудования
541
Рассматриваемые варианты в виде схем и пошаговая последовательность оптимизации приведены на рис. 11.26. На 1-м шаге рассмотрен один вариант схем КН (сборка на многопозиционном оборудовании с максимальной концентрацией операций) и проведена оценка этого варианта применительно к четырем уровням автоматизации для определения наиболее целесообразного. В результате оценены четыре варианта: вариант 4 — сборка на конвейере, 10 — на поточной механизированной линии; 16 — на полуавтоматической линии и 22 — на автоматической линии. Наилучшим оказался вариант 16. На 2-м шаге в выбранной группе дополнительно к варианту 16 рассматривали еще варианты из соседних классов KZ и Kill. Подсчитанное значение критериев для этих трех вариантов оказалось больше значения 37 для варианта 16 1-го шага. Поэтому вновь возвратились к анализу результатов 2-го шага поиска, но уже в группе полуавтоматических процессов. Сравнение на 2-м шаге вариантов сборки на отдельных станках-полуавтоматах, жестко сблокированной полуавтоматической линии и линии с гибко связанными, последовательна работающими позициями (варианты 14, 16 и 18), позволило выбрать для дальнейшего рассмотрения перспективный класс схем (Kill). Сравнение на 3-м шаге проработанных двух вариантов исполнения линии, состоящей из двух участков с одним межоперационным накопителем большой вместимости (вариант 17) й с несинхронным конвейером между от-
Вариант 4 псоопоп еееоеее 3,-88 500 Вариант 10 ВДОСОО eee e 3,-54400 Вариант 16 3j=40 100 Вариант 22 3, =48 200
Вариаиг 14 jftb Jib, ggfc ggfc Q 3,=57400 Ж17 . . Вариант 16 Вариант 18
—e-J 3/=44 200 №18 3/M0900
3^=44000
3j==41 200
Вариант 17
Вариант 18
Рис. 11.26. Последовательность синтеза схем сборочного оборудования при выборе оптимального варианта
542
дельными позициями (вариант 18), позволило найти оптимальное решение Зу = 41 200 руб. = min {3,}.
Аналогично решалась задача о выборе оптимального варианта сборочной системы для генераторов легковых автомобилей, маршруты сборки которых приведены выше.
11.6. Роботизация сборки узлов двигателя ив пневмовихревом оборудоввнии ‘
Одной из главных задач автоматизации сборки должно быть обеспечение ее гибкости, в том числе в массовом и крупносерийном производстве.
Операция обработки сложных деталей на станках или станочных линиях требует около 20—30 с, автоматическая сборка таких деталей выполняется за 2—3 с. Поэтому для быстрой окупаемости затрат на автоматизацию необходимо, чтобы машина собирала несколько разных изделий, т. е. обеспечивала бы групповую или гибкую сборку. Роботы на сборке являются достаточно удачным средством обеспечения гибкости процесса. Чаше всего они выполняют операции транспортировки деталей, подачи их в рабочую зону и т. д., но не сборку непосредственно. Опыт показывает, что большую экономическую эффективность даег использование робота для выполнения основных операций (взаимной ориентации и соединения деталей). В этом случае робот — это технологическая машина, т. е. главный компонент автомата для сборки изделия. Однако при этом точность работы робота (точность его позиционирования) должна быть выше, чем точность сопрягаемых деталей. Точный робот дорогой, и это отрицательно влияет на экономическую эффективность автоматизации.
Для решения данной проблемы необходимы новые технологические решения, которые позволят упростить конструкции сборочных машин и снизить их стоимость, при этом повысив качество и производительность сборочного процесса.
Одно из таких решений — разработанный впервые на АМО ЗИЛ виброгенератор, использующий энергию воздушного вихря, т. е. пневмовихревой (ПВ) ориентирующе-сборочный модуль, зажатый в руке (схвате) робота.
Главным преимуществом пневмовихревых методов является возможность ориентирования и сборки деталей при значительном первоначальном рассогласовании их осей без предъявления к деталям дополнительных требований по точности и качеству.
543
Рис. 11.27. Сборочный ПВ модуль (по В.М. Бедрину, 1991):
/ — сопло, 2— втулка; 3 — стержень; 4—тарелка; 5 — гнезда для ориентируемых деталей, 6— деталь
При этом деталь помещают на плоскость тарелки, совершающей сложные движения, которые создаются с помощью пнев-мовихревого генератора (рис. 11.27). Он представляет собой втулку 2 с соплами /, направленными тангенциально к ее внутренней поверхности, и стержня 3, расположенного с зазором в этой втулке и жестко связанного с тарелкой 4, имеющей в центре ряд гнезд 5, соответствующих по форме и размерам собираемым деталям.
Под воздействием направленных колебаний каждая деталь 6, подаваемая на тарелку, перемещается по поверхности фланца от периферии к центру и ориентируется в центрально расположенном гнезде 5. Метод обеспечивает ориентирование и сборку деталей из различных материалов типа дисков, шайб, мембран, деталей без фасок, некруглой формы, при рассогласовании осей, превышающем в несколько раз габаритные размеры собираемых деталей. Возможна многопредметная сборка как одинаковых по форме и
размерам деталей, так и различных деталей.
Применение пневмовихревых методов в робототехнических комплексах (РТК) и оснащение промышленных роботов пнев-мовихревыми генераторами колебаний позволяют использовать более простые и дешевые промышленные роботы, которые в этих условиях являются основным технологическим оборудованием. Пневмовихревые методы дают возможность осуществить в сборочных устройствах ориентацию и сборку деталей без приме
нения механизмов с жесткими кинематическими связями, что делает такие сборочные автоматы полностью безопасными для
наладчиков и операторов и исключает возможность их поломки при попадании некондиционных деталей.
Область применения этой технологии — массовое и серийное (переналаживаемое) производство средних и мелких изделий машиностроения и приборостроения: генераторы, стартеры и другое электрооборудование автомобилей, карбюраторы, масляные и жидкостные насосы, плунжерные пары, роботизиро-ваннвя сборка электротехнических изделий и приборов, товаров народного потребления.
544
Основные преимущества пневмовихревой сборки:
— снижаются требования к точности срабатывания механизмов ориентации собираемых деталей;
— существенно повышается надежность сборки (собираемость), в частности, высокоточных (практически беззазорных) соединений (например, плунжерных пар, лопастей с роторами и др.), при этом на ряде собираемых деталей наличие фасок, обычно облегчающих сборку, не допускается;
— упрощается конструкция сборочных машин и уменьшается стоимость автоматизации сборки;
— повышается производительность сборочного оборудования;
— обеспечивается гибкость сборки за счет замены базовых элементов ПВ модулей — вращающихся плоских тарелок с гнездами под собираемые детали.
Для надежного функционирования пневмовихревого сборочного оборудования необходимо выбрать в каждом конкретном случае наиболее рациональные параметры процесса. Эксперименты в производственных условиях, связанные с изменениями и доводкой конструкции сборочного оборудования при его изготовлении, требуют много времени и стоят дорого. Поэтому необходимы теоретический анализ динамики работы системы «ПВ модуль — робот», разработка теории пневмовихревых сборочных комплексов, которые позволяют еще на стадии проектирования выполнить структурную и параметрическую оптимизацию процесса, основанного на пневмовихревой технологии.1
Основной частью сборочной ячейки является робот, в схвате которого помещен ПВ модуль. Рабочие движения робота — это вращение первых двух звеньев вокруг вертикальных осей, поступательное перемещение третьего звена в вертикальном направлении. Система, состоящая из робота и ПВ модуля, имеет шесть степеней свободы, а деталь, перемещающаяся по тарелке, — две.
В качестве обобщенных координат робота выбирают параметры, определяющие соответственно перемещение последующего звена робота относительно предыдущего. Заданный закон программных движений звеньев робота будет определять характер изменения обобщенных координат во времени.
Представляет особый интерес частный случай, когда ПВ модуль не перемещается в пространстве (однопозиционные сборочные машины). Например, в созданной AM О ЗИЛ машине с ПВ модулем для сборки ротора насоса с плоскими лопастями эти ло-
См_: Дащенко А.И., Елхов ILE. Анализ процессов пневмовихревой сборки де-талей//Техника машиностроения. 2000. № 2. С. 40 — 47.
35 — 5935
545
пасти подаются вертикально по узкому лотку к ротору, устанавливаемому манипулятором в центр тарелки Зазор между пазами ротора и лопастями составляет около 1 мкм. При этом фаски, обычно облегчающие сборку, отсутствуют. При ручной сборке на один ротор затрачивается 24—27 с, машина с ПВ модулем собирает ротор за 6—7 с Таким образом, эта модификация модели может использоваться для анализа процесса сборки на однопозиционных сборочных машинах, а также для моделирования движения детали по тарелке у ячейки с роботом, если робот останавливается у каждого вибробункера на время, необходимое для перемещения детали к центру тарелки и ее ориентации.
Эта же модель пригодна для анализа параметров сборочного процесса на многопозиционных машинах с поворотными столами, на которых установлено несколько ПВ модулей. В этом случае после поворота на одну позицию стол периодически фиксируется для ориентации деталей в каждом ПВ модуле в целях соединения их на последней позиции специальным механизмом.
Для этого случая составлены дифференциальные уравнения движения детали, перемещенной в точку М тарелки Анализ дифференциальных уравнений движения детали по тарелке позволил определить область допустимых частот колебаний тарелки, при которых деталь движется к центру, которая характеризуется соотношением’
+ц/9 < «>2 < -fyj-Wr,
где g — ускорение свободного падения;/— коэффициент трения при движении детали по тарелке; а = СМ; <02 = у/Г—частота колебаний тарелки; г ~ PC tg 6
Для численного решения рассматриваемых задач и математического моделирования процесса сборки на основе полученных динамических моделей разработана программа для персонального компьютера, позволяющая воспроизводить на дисплее траекторию движения детали в зависимости от всех влияющих на нее факторов.
Математическая модель работы системы с ориентирую-ще-сборочным модулем в схвате робота позволяет решить следующие задачи'
при остановке робота на каждой позиции на время ориентации и сборки деталей:
— воспроизведение траектории движения собираемых деталей по тарелке ПВ модуля, оценка влияния геометрических и 546
динамических параметров (в частности, угловой скорости тарелки со стержнем, а также частоты и амплитуды колебаний тарелки) на траекторию движения деталей, -
— выявление области, в которой параметры ПВ модуля могут измениться без изменения характера движения детали по тарелке, и обеспечение надежной ориентации (или процесса сборки деталей), при перемещении деталей по тарелке во время движения робота
— оценка влияния скорости и закона движения звеньев робота на траекторию перемещения деталей по тарелке и их взаимную ориентацию и определение допустимых значений скорости
На рис 11 28 показана фотограмма движения детали по тарелке при работе ПВ модуля на специальном стенде в лаборатории АМО ЗИЛ Как видно, детали перемещаются по спирали, попадая при этом за минимальное время в центр тарелки для совмещения с другими собираемыми деталями Однако лабораторные эксперименты также показали, что при изменении, например, зазора между стержнем 3 и втулкой 2 (см рис. 11 27) или при изменении режима работы детали не попадают в центр, а вылетают за пределы тарелки Экспериментальный подбор параметров модуля для каждого конкретного случая, при которых надежно выполнялась бы ориентация и сборка деталей, является очень трудоемкой и дорогостоящей работой. Математическая модель позволяет за 1,5—2 с получить на дисплее траекторию движения детали для заданного набора параметров ПВ модуля и оценить их эффективность до изготовления модуля
Рис. 11.28. Экспериментальная траектория движения детали (по В М Бедрниу, 1991)
547
Моделирование большого числа вариантов сборки с остановкой в каждой позиции позволило определить области изменения параметров ПВ модуля (ИО, где обеспечивается надежная ориентация и соединение деталей. На рис. 11.29 показаны области рациональных параметров ПВ модуля при изменении зазоров и коэффициентов трения.
Таким образом, анализ процесса ПВ сборки и элементов сборочного оборудования для его осуществления позволяет обеспечить стабильность выполнения сборочных операций. Однако результаты этого анализа недостаточны для обеспечения высокой экономической эффективности сборочного процесса в целом. Помимо параметрической оптимизации процесса сборки требуется оптимизация структурная.
Для решения задачи может быть использован метод направленного поиска оптимальных структурно-компоновочных решений.
Целесообразно комплексно решать задачу, т. е. одновременно выбирать и метод выполнения операций сборки, и структуру процесса (например, сравнивая традиционные и пневмовихре-вые методы сборки). Рис. 11.30 иллюстрирует последовательность направленного поиска оптимальной компоновки сборочного оборудования и наиболее эффективного метода сборки из-
Рис. 11.29. Области рациональных параметров ПВ модуля:
I— процесс неустойчив из-за недостаточной силы для подъема и вращения тарелки или недостаточны скорость вращения и амплитуда колебаний тарелки; II— устойчивое перемещение собираемых деталей; III— выброс деталей из-за больших амплитуд колебаний; IV— деталь движется от центра тарелки с подпрыгиванием
548
делил по критерию общих затрат на годовой выпуск продукции, выраженных в условных единицах. Вначале выбирают и оценивают класс оборудования, с использованием которого выполняется сборка (К/—однопозиционные и К//—многопозиционные сборочные машины). Сборка может выполняться традиционными (Тр) и пневмовихревыми (ПВ) методами. Так как вариант К/ (ПВ) по суммарным денежным затратам на одно изделие меньше, его прорабатывают более детально путем рассмотрения подклассов К/ с последовательным (Пс), параллельным (Пр) и комбинированным (ПсПр) выполнением элементарных сборочных операций. При этом оценка затрат на сборку каждого изделия соответственно возрастает из-за дополнительных затрат, которые можно оценить при более детальной проработке вариантов. Подкласс с наименьшей на данном шаге оценкой (в нашем случае К1ПрПс) разрабатывается детально (одна или две его модификации). Затраты на сборку изделия рассчитывают с учетом всех составляющих, которые можно учесть на этом этапе проектирования. Вариант с минимальными затратами считается оптимальным, если все проанализированные ранее варианты имеют большую оценку.
Результатом анализа ПВ метода сборки и синтеза структуры процесса явилось создание нескольких роботизированных сборочных РТК, разработанных на АМО ЗИЛ. Один из них описан ниже.
Сборочный РТК создавался прежде всего для проверки двух задач: ,
549
J возможности производить последовательную сборку достаточно сложных изделий непосредственно в руке робота;
возможности применения ПВ метода для ориентации и сборки не только плоских, но и длинных (типа втулок, осей) деталей, когда сложные колебательные движения (прецессия) тарелки ПВ модуля с предварительно установленным в них корпусом (втулкой) используют для поиска положения втулки, при котором она наилучшим образом соединяется с осью. Последняя специальным манипулятором свободно удерживается над отверстием втулки.
Данную разновидность ПВ метода успешно используют, например, для автоматической сборки плунжерных пар с зазором 0,5 мкм При этом фаски отсутствуют как у оси. так и у отверстия втулки.
Сборочный РТК (рис. 11.31) предназначен для сборки крана управления давлением воздуха системы накачки шин грузовых
Рис.11.31. Плакировка и общий вид РТК для изделий двух модификаций (поВМ Бедрииу, 1991)
550
автомобилей. Кран конструктивно выполнен в двух модификациях. Технологическая последовательность сборки:
1 — установка корпуса крана в ПВ модуль, 2— установка тарелки-спутника на ориентатор; 3 — установка кольца распорной манжеты; 4 — установка манжеты крана предварительная; 5 — окончательная установка манжеты; 6— установка распорной втулки, 7—подача смазочного материала; б*—установка собранного золотника крана, 9 — подача и предварительное завинчивание направляющей золотника; 10 — окончательное завинчивание направляющей золотника.
Затем робот возвращается на позицию 2, где происходит съем тарелки-спутника, а на позицию 1 собранный кран снимается н устанавливается в кассету.
Кроме робота, в РТК используют отдельный манипулятор для установки корпуса крана из кассеты в ПВ модуль и удаления собранного крана из модуля для установки в кассету. Транспортная система подает кассеты с корпусами в рабочую зону и кассеты с готовой продукцией в зону загрузки-разгрузки. Сборочно-ориен-тирующий модуль данного изделия имеет оригинальную конструкцию, более сложную, чем показана на рис 11.27. Для установки корпуса крана модуль снабжен съемной тарелкой-спутником, которая автоматически с помощью манипулятора устанавливается в модуль и на этой же позиции снимается манипулятором для удаления из модуля полностью собранного крана.
РТК прошел длительные лабораторные испытания у изготовителя: было собрано более 10 тыс. изделий При этом не было зарегистрировано ни одного отказа из-за несобираемости деталей.
Сочетание новых методов сборки, основанных на физических эффектах, с использованием роботов в сборочных машинах позволяет успешно решить проблему гибкости при большей экономической эффективности автоматизации сборки.
Опыт АМО ЗИЛ в области эксплуатации сборочного оборудования, основанного на применении нетрадиционной технологии и использованного помимо РТК в одно- и многогюзицион-ных сборочных машинах показал, что при правильном выборе параметров процесса отказы из-за несобираемости деталей практически отсутствуют. Работа всех машин характеризуется высокой функциональной надежностью, так как в них не используются механизмы с жесткими кинематическими связями. Например, многопозиционные поворотные столы вращаются на воздушной подушке с помощью воздушного вихря, как и тарелки в ПВ модулях.
551
Однако общая работоспособность и экономическая эффективность этих машин существенно зависят от их параметров, структуры и компоновки оборудования. Поэтому наряду с развитием практики применения необходимо развитие теории проектирования пневмовихревого сборочного оборудования как составной части общей теории автоматизации процессов сборки.
Сборка форсунки на линии из многопозициоиных автоматов. Одно из наиболее перспективных направлений в автоматизации сборки — создание линий из многопозиционных машин. Проектируя процессы сборки автомобиля, необходимо учитывать, например, что масса более 80 % его деталей составляет менее 200 г. Сборка небольших изделий из мелких деталей наиболее эффективна на многопозиционных автоматах, которые позволяют сконцентрировать больше операций, чем однопозиционные; позиции менее металлоемки, занимают меньшую площадь и, что очень важно, автоматизация сборки с их применением стоит в несколько раз меньше, чем при использовании для этих же изделий линии из однопозиционных машин.
Более сложная конструкция многопозиционных автоматов снижает общий уровень гибкости (переналаживаемости) оборудования, если производство изделий является серийным.
Необходимость в гибких линиях для сборки изделий с очень небольшим тактом привела к созданию линии, где испытания изделий выполняются на отдельных многопозиционных автоматах, а транспортировка изделий между автоматами осуществля-
Рис. 11.32. Обший вид форсунки (а) и граф последовательности ее сборки (б).
1 — направляющий штифт, 2 — пружина, 3 — жиклер, 4 — стакан жиклера; 5 — заглушка жиклера, б — защитный стакаи корпуса, 7— корпус жиклера, 8— топливопровод, 9 — опорная шайба пружины, 10 — хвостовик жиклера, 11 — направляющая иглы жиклера, 12 — уплотнительная втулка, 13 — защитный чехол иглы форсунки
552
ется по гибкой транспортной системе, аналогичной описанной выше, на спутниках с многоместными кассетами. Передача собираемых изделий из кассеты в автомат и обратно выполняется программируемыми портальными манипуляторами.
Такая система позволяет иметь короткий такт сборки на автоматах и достаточно большой такт перемещения спутника с кассетой по гибкой транспортной системе, число позиций которой при коротких тактах обычно ограничено.
Примером такой системы служит разработанный на ЗИЛе автоматизированный комплекс сборки на пневмовихревых автоматах и испытания форсунок (рис. 11.32) дизельных двигателей.
Комплекс (рис. 11.33) включает в гибкую транспортную систему со спутниками, на которых установлены кассеты с деталями и собранными форсунками. Спутники с кассетами перемещаются по транспортной системе между сборочными и контрольно-испытательными автоматами. Так как система позволяет расположить оборудование не в технологической последовательности, то контрольно-испытательное оборудование, использующее в качестве испытательной жидкости дизельное топливо, и сборочное оборудование установлены в разных, изолированных друг от дру-
21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 8 11 10 9
Рис. 11.33. Комплекс сборки и испытаний форсунок (по В М Бедрину, 1991). /—гибкая транспортная система, 2— участок комплектации, 3—палета с кассетой, 4 — автоматическая позиция сборки прославки, 5 — резервная позиция для сборки проставки, б—автоматическая позиция сборки форсунки, 7— автоматическая позиция сборки форсунки с транспортными пробками, 8— резервная позиция, 9—перегородка, разделяющая зоны сборки и испытаний, 10— позиция съема собранных форсунок, 11 — тара для собранных и испытанных форсунок, 12— позиция устранения дефектов, —контрольно-проверочные стенды, 14—резервная позиция для регулировки давления начала вспрыска обкатки форсунки, 15 — автоматическая позиция регулировки давления начала вспрыска обкатки форсунки, 16 — резервная позиция для контроля подвижности иглы и пропускной способности форсунки, 17—автоматическая позиция для контроля давления начала вспрыска, подвижности иглы, контроля пропускной способности и лазерною клеймения. 18—установка для лазерного клеймения, 19— автоматическая позиция для сборки корпуса форсунки с фильтром, промывки фильтра и контроля эффективного проходною сечения, 20— накопитель свободных палет, 21 — моечная машина для промывки палет с кассетами
553
га зонах. Транспортная система связывает с зоной сборки и испытания расположенную на складе зону комплектации, а также позиции съема готовых изделий и позиции устранения дефектов, выявленных в процессе сборки и испытания форсунок.
Прецизионные детали (корпус форсунки, просивка, распылитель в сборе) подают к сборочным автоматам со склада в кассетах и устанавливают на загрузочные позиции автоматов с помощью портальных программных манипуляторов. Остальные детали подают на сборочные позиции автоматов из вибробункеров. Собранные изделия удаляют из автоматов такими же манипуляторами. Аналогичными манипуляторами, осуществляющими загрузку и выгрузку форсунок, оснащены также и контрольно-испытательные автоматы.
Транспортная система состоит из основной ветви, по которой в любой последовательности между позициями комплекса перемещаются спутники с кассетами, и дополнительных ветвей, расположенных в зоне технологических позиций, на которых и осуществляется загрузка-разгрузка кассет.
Транспортная система построена по модульному принципу и в основном состоит из двух типов модулей. Первый предназначен для изменения направления движения спутника; позволяет или пропустить через него спутник транзитом, не изменяя направление его движения, или поворачивать спутник на 90° в ту или другую сторону. Второй тип модулей предназначен для стыковки с технологическим оборудованием и состоит из прямолинейного участка с приводными рольгангами с фрикционными роликами, являющегося частью основной ветви транспортной системы, секции сдвижек для передачи спутников с основной ветви на дополнительную и обратно и одной или нескольких прямолинейных секции дополнительных ветвей транспортной системы, на которых размещены остановы для спутников и механизмы для перекодирования спутников. Число параллельных секций участка дополнительной транспортной ветки зависит от числа адресов, из которых поступают на эту позицию или в которые направляют из этой позиции детали, комплектующие, полуфабрикаты или собранные изделия.
Спутники предназначены для перемещения в кассетах прецизионных деталей или собранных форсунок. Каждый спутник состоит из палеты, кассеты и защитного устройства. Палета снабжена расположенным под ее платформой программоносителем, выполненным в виде установленных на общей оси и фиксируемых в двух положениях поворотных кулачков, и также расположенными 554
г под ее платформой гребенками, обеспечивающими при взаимо-I действии с механизмами остановов перемещение спутника с кас-| сетей на шаг, что позволяет выбирать или устанавливать детали и I форсунки манипулятором поочередно из всех рядов кассеты.
! В комплексе предусмотрены свободные резервные зоны для | возможности установки дублирующего сборочного и контроль-f но-испытательного оборудования при увеличении объема выпуска форсунок.
Все контрольно-испытательные операции, в том числе промывка фильтра и контроль качества распыления топлива, выполняются в отдельной рабочей зоне, что резко улучшает экологические условия работы на линии
Использование многопозиционного оборудования с поворотными столами позволяет выполнять операции последовательно-параллельно, что снижает число потребного оборудования и резко уменьшает число перестановок форсунок
Высокая гибкость системы дает возможность в любое время изменять технологический процесс, вводить или выводить дублирующие позиции, изменять степень автоматизации операций. Имеется возможность поэтапного создания и внедрения комплекса.
Построенная по такому принципу сборочная линия позволяет осуществлять сборку сложных, высокоточных и ответственных изделий с очень коротким тактом (такт сборки форсунок 5 с, а такт смены спутника на позиции при этом более 3 мин, что обеспечивает возможность иметь в линии большое число адресов). Так как каждый автомат имеет относительно небольшое число позиций, то обеспечиваются их высокие надежность и производительность
На заключительном этапе t проектирования была оценена производительность линии с учетом надежности ее сборочных автоматов, машин для контроля и испытания изделий, транспортных устройств, а также количества спутников с кассетами, находящихся на линии Для этого использовали специально разработанную программу вероятностного моделирования сложных по структуре сборочных систем.
На рис 11.34 показаны результаты исследования производительности линии при трех различных параметрах надежности сборочных пневмовихревых автоматов Результаты показали, что принятое первоначально количество спутников N — 200 завышено Производительность Q и коэффициент готовности Кс линии достигают максимального значения уже при N ~ 150—160 шт., что и
555
И,38>
Рис. 11.34. Результаты моделирования работы линии сборки форсунок
было принято в окончательном варианте компоновки. Для первого этапа эксплуатации линия обеспечивает достаточную производительность Q, которая в дальнейшем может быть увеличена путем установки дублирующих автоматов на 5, 14 и 16-й позициях.
Капитальные затраты на этот вариант компоновки в сопоставимых ценах оказались в 4—5 раз ниже затрат на варианты линий из однопозиционных машин, предложенных двумя ведущими европейскими фирмами, выпускающими сборочное оборудование
При этом экономия производственной площади составила около 200 м2. В предложенных иностранными фирмами вариантах предусмотрена ручная работа оператора с тактом в 5 с. Проект, разработанный на АМО ЗИЛ, предусматривает полную автоматизацию всех сборочных и контрольно-испытательных операций. Полностью исключен монотонный труд; роль операторов сведена только к наблюдениям за автоматически работающим оборудованием, его обслуживанию, устранению случайных отказов в работе.
Можно предположить, что в ближайшие годы в России еще не будут созданы высокоавтоматизированные автосборочные заводы, однако технические и технологические решения, разработанные и испытанные на АМО ЗИЛ, а также сборочные системы, разработанные в последние годы ОАО «НИИТавтопром» (Москва), АО «Автопромсборка» (Минск), рядом других рос-556
сийских и зарубежных организаций, создают хорошую основу для оснащения таких заводов в будущем. Для этого необходимо существенное увеличение экономического потенциала отрасли и создание сборочного станкостроения в России.
Анализ проблем дальнейшего развития автоматизации сборки показал, что в целом возможно сокращение трудоемкости сборки в машиностроении на 50—55 % за счет улучшения технологичности конструкции собираемых изделий (17—20 %), повышения уровня автоматизации сборочных процессов (15—17 %), использования новых технологий (10—12 %), совершенствования организационных форм сборки (около 10 %).
Реализация этих возможностей зависит от решения не только экономических, но и кадровых проблем. Необходима более широкая подготовка инженеров-сборщиков и переподготовка специалистов, занятых этими вопросами в промышленности
В технологических вопросах, касающихся сборки, отмечены два главных направления:
— развитие наряду с традиционными новых технологий (методов) сборки, основанных на физических эффектах, не применяемых пока достаточно широко в этой области (воздушные вихри, электромагнитное поле, вибрация, нагрев и охлаждение деталей и др.);
— совершенствование и оптимизация структуры процессов, структурно-компоновочных схем и параметров сборочного оборудования.
Разработка технологии и автоматизации сборки, сочетающая эти направления, позволит обеспечить необходимый выпуск продукции высокого качества, отвечающей требованиям потребительского рынка при минимальной себестоимости производства
Вопросы для самопроверки
I Каково значение технологичности конструкции изделия при сборке9 2. Влияние качества сборки на надежность и долговечность двигателя 3 В чем трудности механизации и автоматизации сборочных процессов9 4 Основные этапы проектирования техпроцессов сборки изделия 5. Как выбирается оптимальная компоновка сборочного оборудования?
6. Какова роль роботов в сборочном производстве9
Глава 12
Методы управления качеством производства двигателей
Задача кардинального повышения качества продукции машиностроения, доведения ее до конкурентоспособного мирового уровня — одна из важнейших и наиболее острых проблем промышленности Особого внимания заслуживает рост качества автомобильной техники, ее технических данных и эксплуатационной надежности.
Решение поставленной задачи требует существенного повышения точности и надежности технологических процессов обработки и сборки, что возможно лишь при условии обеспечения эффективного управления параметрами технологических систем. Анализ опыта эксплуатации агрегатов, выпускаемых различными отраслями машиностроения, показывает, что наиболее ответственными, лимитирующими по точности обработки и сборки, являются элементы конструкций, содержащие подшипниковые узлы
При этом возникают принципиальные противоречия между возможностями технологического оборудования и конструкторскими требованиями. С повышением точности изделия наступает момент, когда допуски на изготовление становятся соизмеримыми или равными параметрам точности формообразующих узлов оборудования. Технологические процессы при этом становятся плохо управляемыми, и технические требования обеспечиваются исключительно за счет селективной сборки комплектов сборочных единиц, поступающих на сборку.
Важнейшим показателем технологического процесса и уровня выполнения производственных заданий является параметрическая надежность станочной или сборочной системы. Это комплексный показатель, отражающий ее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и ряд других характеристик. Количественная оценка этих показателей предусматривает умение корректно определять коэффициенты параметрической и фун-циональной надежности, готовности, параметр потока отказов технологической системы и др. 558
Процедура эффективного управления параметрами точности (параметрической надежности) технологической системы требует наличия ее адекватной математической модели. Важно, что технологические процессы в машиностроении слабодетермини-рованы, недостаточно устойчивы во времени. Перечисленные моменты особенно актуальны и для процесса сборки, который завершает производственный цикл и во многом определяет фактический уровень качества и точности агрегатов.
12.1. Влияние точности формы поверхностей деталей машин на надежность их работы
Надежность, как отмечалось в гл. 4, является комплексным показателем, характеризующим качество изделий и технологических систем в течение всего срока их службы. Надежность машин и процессов обеспечивается при их проектировании, производстве и эксплуатации. Она зависит от качества изготовления деталей, их сборки, возможностей управления ходом технологического процесса и других факторов.
Как показывают статистические данные, около 80 % общего количества отказов механических систем происходит из-за процессов износа элементов машин. Механическое изнашивание деталей связано прежде всего с качественными характеристиками рабочих поверхностей деталей, которые определяют их долговечность.
В неподвижных и плотных соединениях макрогеометрия поверхностей существенным образом влияет на прочность, герметичность и точность центрирования, в подвижных — на равномерность зазоров, плавность хода, точность перемещений, износ, шумообразование. Искажение геометрической формы и взаимного расположения осей и поверхностей приводит к повышенному и неравномерному изнашиванию деталей, снижает точность работы подвижных соединений, искажает характер посадок, вызывает контактное трение, очагн задиров, неравномерное распределение напряжений в посадках с натягом.
Экспериментально доказано, что снижение овальности, ко-нусообразности и седлообразности шеек вала автомобильного двигателя с 10 до 6 мкм позволило продлить период работы подшипников без пояаления очагов растрескивания и выкрашивания их рабочей поверхности в 1,5—2 раза.
Влияние параметров макрогеометрии на долговечность двигателей показано на рис. 12.1, 12.2.
559
0,004
0 50 100 ISO t.n
б
Рис. 12.1. Влияние исходной макрогеометрии деталей двигателя на последующее их состояние в зависимости от времени испытания t
а — прогрессирование овальностей гильз цилиндров двигателей с исходной овальностью
/ — 0 мм, 2 — 0,02 мм, 3 — 0,03 мм 4 0,06 мм, б — начало выкрашивания вкладышей подшипников в зависимости от исходной некруглости шал умных шеек //га
О точности формы поверхностей изготовленной детали можно судить лишь при наличии информации о ее геометрических параметрах, полученной путем системных измерений с допустимой погрешностью
Проверка параметров детали в центрах (рис. 12 3) конструктивно проста, но технологически выполнить ее с высокой степенью точности не всегда возможно, так как погрешность вращения в центрах зависит от ошибок формы и взаимного расположения центровых гнезд самой проверяемой детали, центров прибора и станка, использовавшихся для окончательной обработки детали.
Рис. 12.2. Зависимость износа гильз Д от начальной овальности (й), конусообразное™ {б)
560
Рис. 12.3. Варианты конструктивной реализации способа вращения измеряемых образцов
Контроль продольных профилей тел вращения с непрямолинейными образующими производят с помощью измерительных и инструментальных микроскопов и проекторов (см. рис. 12.3, а—г)
Перспективным представляется комплексный контроль формы поверхностей вращения на координатно-измерительных машинах, на основе которых можно создать автоматизированный измерительный комплекс с математической обработкой результатов измерения и выводом данных на печатающее устройство, графопостроитель или дисплей
Актуальной задачей является разработка встроенных в техно
логические системы измерительных средств, использующих
движения вращения детали и движения подачи суппорта с последующей обработкой результатов измерений на микроЭВМ Решение этой задачи осложняется наличием значительных пространственных колебаний оси шпинделя и непрямолинеино-стью перемещения суппорта по направляющим
36-5935
561
Необходим способ оценки точности формы непосредственно на станке, надежно исключающий влияние погрешностей движения формообразующих узлов металлорежущих станков на точность и достоверность результатов измерений.
Анализ конструкций деталей машин и механизмов, применяемых в машиностроении, показывает, что наиболее функционально ответственными и лимитирующими по точности обработки и монтажа являются элементы, которые называют условно «роторными узлами». Их общее количество превышает 70 % от общего количества узлов машин. Это турбины всех систем, электродвигатели, электрогенераторы, компрессоры, шпиндельные узлы, опоры трансмиссий, редукторы и др.
Конструктивно эти агрегаты объединяет наличие ротора, монтируемого в опорах, которые, в свою очередь, располагаются в корпусе, причем статор, также расположенный на корпусе, строго координируется в пространстве относительно ротора. Важнейшим функциональным параметром в этих агрегатах является радиальный воздушный зазор (РВЗ). Обеспечение величины и постоянства этого параметра представляет задачу многих технологических разработок. Однако уменьшение РВЗ влечет за собой большие технологические трудности, соответственное ужесточение допусков и технических условий на монтаж. При каждом уровне требований должен достигаться консенсус технологических возможностей и конструкторских предложений.
Наступает момент, когда назначаемые допуски на изготовление становятся соизмеримыми или равными с конструктивными отклонениями формозадающих узлов обрабатывающего и измерительного оборудования. Технологические процессы становятся плохо управляемыми при существенном количестве брака.
Генератор переменного тока, устанавливаемый на двигателе, коробка перемены передач являются типичной продукцией автомобильного машиностроения, на примере анализа которой будет рассмотрена проблема управления качеством изготовления узлов автомобиля.
Агрегаты, как правило, включают подшипниковые узлы, ротор и корпус, взаимное положение которых определяет функциональный показатель — радиальный воздушный зазор. Типичность устройства генератора сочетается с наличием всех характерных особенностей, присущих роторным агрегатам вообще.
Обработка заготовок со стабильным по величине припуском и однородными физико-механическими свойствами, использо-562
вание станков с высокой жесткостью и геометрической точностью, применение высококачественного инструмента, контрольных автоматов и автоналадчиков, рациональная система обслуживания и ремонта оборудования — все эти факторы позволяют в условиях массового производства обеспечить обработку точных деталей в течение длительного времени. Вместе с тем изменение перечисленных факторов в течение периода эксплуатации, а также необходимость выбора рациональных программ (планов) воздействия на технологический процесс при снижении точности обработки выдвигает задачу создания автоматизированных систем управления точностью обработки деталей и качеством продукции.
Решение этой задачи осуществляется рядом методов, в основе которых лежат два подхода к вопросу
Теория точности обработки, построенная на основе и с использованием законов автоматического управления и регулирования, предусматривающая создание математических моделей процесса формирования параметров точности на основе теории случайных функций, позволяющей аппроксимировать лишь наиболее изученные устойчивые и стационарные технологические процессы для нахождения оптимальных условий их протекания.
Теория точности обработки, базирующаяся на рассмотрении точности настройки, подналадки станка и инструмента, а также учета точностных характеристик заготовок, рабочего приспособления, станка, состояния инструмента и т. д.
Одно из направлений повышения эффективности технологических процессов — разработка новых методов их построения с использованием компьютерных (информационных) технологий.
Большое внимание уделяется разработке систем автоматического управления точностью обработки — САУТО. Схема такой системы показана на рис. 12.4. Принципиальным достоинством САУТО является их способность выявлять и компенсировать факторы, порождающие фактические погрешности непосредственно в процессе обработки. В условиях действующего производства промежуток времени между обработкой партии деталей, которая подлежит контролю, и внесением соответствующих изменений в условиях обработки на основании анализа технологической точности контролируемой операции значителен. Величину возмущающих факторов оценивают на основании информации, не учитывающей «временной дрейф», т. е.
36*
563
Прогнозы и рекомендации
Рис. 12.4. Схема системы автоматического управления точностью обработки
изменение условий обработки во времени, что приводит к значительным ошибкам. Как видно из схемы рис. 12.5, суммарная погрешность обработки зависит от числа и величины составляющих погрешностей А, В, С и погрешностей, обусловленных непосредственно процессом обработки. Обеспечение точности размеров детали является более разработанной задачей, чем обеспечение заданной формы или взаимного положения поверхностей.
Необходимое условие стабилизации функциональных показателей изделий — постоянный контроль технологической точности оборудования. Количественно именно точностные показатели обрабатываемой детали определяют технологическую точность оборудования, хотя определяется она состоянием ряда основных узлов станка.
Контроль технологической точности оборудования можно проводить одним из двух методов:
564
Рис. 12.5. Изменение показателей технологического процесса с течением времени
— на основании анализа результатов статистического контроля точности деталей, обрабатываемых на данном оборудовании;
— путем непосредственного замера определенных точностных параметров станка и сравнения полученных результатов с установленными нормами точности, обеспечивающими получение годной продукции.
12.2. Анализ факторов, влияющих на уровень функциональных показателей технологических систем, и методы оценки погрешностей деталей
Основные технологические факторы, оказывающие в большинстве случаев существенное влияние на точность и надежность достижения показателей точности обработки, рассмотрены в гл. 4. На определение причин отказа оборудования по точностным параметрам затрачивается больше времени, чем на их устранение. Например, значительно полнее оценить влияние неточности шпиндельного узла на точность обработки можно, применив в качестве контролируемого параметра траекторию прецессии оси шпинделя.
565
В настоящее время для измерений отклонений размеров и формы обработанных поверхностей деталей от номинальных используют кругло меры, профиломеры, координатно-измерительные машины. Эти приборы с высокой степенью точности воспроизводят базовые образцовые окружности или прямые, от которых осуществляется отсчет отклонений формы контролируемых поверхностей соответственно в поперечных сечениях.
Общим недостатком вышеуказанных приборов, существенно ограничивающих их использование в производственных условиях, является высокая трудоемкость установки детали для измерений, собственно измерений и последующего анализа полученных результатов.
Кроме того, процедура измерений требует снятия обработанных деталей из рабочего приспособления станка. При этом после раскрепления деталей из-за наличия упругих деформаций и перераспределения внутренних напряжений реальная форма их поверхностей изменяется, что разрывает функциональную связь в цепочке «точность изделия — параметры технологического процесса» и делает затруднительным выявление технологических факторов, вызывающих отклонения формы и положения обработанных поверхностей.
Следовательно, измерения формы обработанных поверхностей деталей для точностного анализа процесса механической обработки важно осуществлять непосредственно на металлорежущих станках без их раскрепления.
На точность измерений размеров и формы обработанной детали непосредственно на металлорежущем станке с использованием движений вращения шпинделя и подачи суппорта с измерительным преобразователем существенное влияние оказывают такие погрешности формозадающих узлов станка, как прецессия оси вращения шпинделя и заднего вращающегося центра, отклонения от прямолинейности и параллельности относительно линии центров станка траектории продольного перемещения суппорта. Величина этих погрешностей в большинстве случаев сопоставима с величиной возникающих отклонений размеров и формы поверхностей деталей. Колебания оси вращения детали и погрешности направляющих станка, накладываясь в процессе измерений на показания измерительных преобразователей, фиксирующих отклонения текущих размеров измеряемых поверхностей деталей, искажают информацию об их действительных размерах и форме. Это влияние можно комментировать, применив многоточечный метод сканирования поверхности.
566
I
Рис. 12.6. Трехточечная система измерений формы детали непосредственно на металлорежущем станке
Рис. 12.7. Схема трехто^ечного метода измерения
Рис. 12.8. Насадка для трехточечного метода измерения (для наглядности вместо малогабаритных токовихревых датчиков показаны измерительные головки)
При измерении отклонений текущего радиуса с помощью трех преобразователей Пь П2 и П3 (рис. 12.6, 12.8), расположенных под углами а и р к горизонтали, показания соответствующих преобразователей составят:
П1 =8,(z,<р)А| = {ДДг,ч>)-[Д“(<р,г) + Д" (z)]}*,,
П2 =82(г,<р№2 ={ДЛ(г,<р + а)-[Д“(<р,г) + Д"х(г)]соза-- [Д’ (<р, г) + А", (г)] sin cz}/<2,
П3 =53(г,фХ3 ={ДЯ(г,<р-р)-[Д“(ф,г) + Д" (z)]cosp +
+ [Д“ (<р, Z) + д", (z)] sin p)/<3,
где к, — коэффициенты усиления соответствующих преобразователей.
При выполнении условия
kt cosp + к3 =0, kt cosa + k7 +0
суммарный сигнал с трех преобразователей примет вид
П, + П2 + П3 = 5,(z,<p)Ar, +82(z,q>)Z:2 + 8 3 (z, <p)Zr3 = = Д/?(г, <р)к । + Д/?(г, q> + a)Z:2 + A/?(z, <p- P)Ar3
568
Очевидно, что суммарный сигнал с трех измерительных преобразователей теперь не зависит от колебаний положения оси вращения детали, непрямолинейности и непараллельности относительно линии центров станка продольного перемещения суппорта с преобразователями, а зависит только от отклонений текущего размера-радиуса ДЯ(г, ф), которые определяют действительную форму измеряемой поверхности детали.
Отклонение текущего размера-радиуса ДА(го, ф), фиксируемое преобразователем П1 в любом поперечном сечении детали плоскостью zo = const, можно с заданной точностью представить отрезком ряда Фурье. Следовательно,
к
Д/?(2о,ф) = {^н -Mo(Zo) + ^4/U0)cosO<P + <Ру(£о)Ж-
/=1
Отклонение текущего размера-радиуса поверхности детали ДЯ(гь, <р + а), фиксируемое вторым преобразователем П2, изменяется по тому же закону, что и Д1?(гь> ф), только «сдвинутому» по угловой координате на угол а, так как форма поперечного профиля в процессе измерений остается неизменной
Суммарный сигнал с трех преобразователей будет равен
rij +П2 +П3 =51($о,ф)А:1 +52(г0,ф)А:2 +53(г0,ф)^3-
Зная настроечные размеры Я1н, jR2h> ^зн (Рис- 12 7), можно вычислить и среднее значение текущего размера-радиуса в исследуемом поперечном сечении по формуле
n / А \ + ^2н^2 + ^зА ”4(«))
^pUo) - Л«о)------------ki +к1 +к^--------.
где Aq(z0) — нулевой член ряда Фурье, полученного при разложении суммарного сигнала с трех измерительных преобразователей.
Применив разработанный трехточечный метод к анализу размеров и формы всей поверхности детали, получим уравнение для суммарного сигнала.
На рис. 12 9 показаны прогнозируемый по математической модели профиль сечения детали (на экране дисплея) и фактическая круглограмма этой поверхности, сходимость результатов более чем достаточна.
569
Рис. 12.9. Расчетный и измеренный профили обработанной поверхности деталей: деталь № 1
Задающий диск с отверстиями
Рис 12.10. Устройство реализации трехточечного способа контроля точности детали на станке
Трехточечный способ контроля, изображенный на рис. 12.10, применим при бескопирной обточке поршней двигателей внутреннего сгорания.
Таким образом, рассмотренная трехточечная измерительная схема позволяет принципиально исключить влияние колебаний оси вращения детали и погрешностей продольного перемещения преобразователей на результаты оценки точности размеров и формы обрабатываемых поверхностей непосредственно на металлорежущих станках.
Нетрудно заметить, что исследуемая схема не позволяет определить первую гармонику, характеризующую эксцентриситет поперечного сечения поверхности детали.
Очевидно также, что система уравнений имеет множество решений. Из множества возможных решений необходимо выбрать оптимальное в смысле наивысшей точности измерений, полноты получаемой информации и возможностей практической реализации решения. При выборе оптимальных значений следует учитывать следующие требования.
1. Коэффициенты усиления к}, и ку не должны по абсолютному значению намного отличаться друг от друга.
2. Для повышения точности измерений желательно, чтобы углы аир были кратны углу <ру между двумя соседними равноотстоящими узловыми точками, лежащими в одном поперечном сечении. Тогда измерения отклонений текущего размера тремя преобразователями будут осуществляться только в заданных узловых точках.
3. Для удобства подвода и отвода системы измерительных преобразователей от измеряемой поверхности детали, установленной в центрах металлорежущего станка, суммарное значение углов а и р не должно превышать 180°, т. е. преобразователи должны располагаться по одну сторону от детали.
Для определения отклонений формы какого-либо продольного профиля детали при (р0 — const необходимо провести измерения этого профиля одним преобразователем, например Пь при этом сама деталь, а следовательно, и ее ось вращения должна оставаться неподвижной. Определив разность между измеренными значениями воздушного зазора и погрешностями продольного перемещения суппорта с преобразователями в горизонтальной плоскости, т. е. 51(г,(р0)~ Д"(г), и разложив эту разность в ряд по ортогональным многочленам Чебышева, получим выражение
572
б, fc<ft>)~ДЦг) = ^(<pc)+4'(<p0)/}(,,(z) +
1=2
в котором коэффициенты Ло((ро) и >4/((р0) характеризуют отклонение расположения образующей поверхности вращения, а коэффициенты Д'(<Ро)~~ отклонение ее формы.
Применив цилиндрическую систему координат, форму реальной геометрической оси в пространстве описывают уравнением
П у
Ro™fc<P) = 2л-.1 (z)c°s(<P + Ч>,.|).
1=2
где Rocm(z, <р) — радиус-вектор траектории оси, отсчитываемый от прямой, аппроксимирующей реальную ось поверхности; Д.1 и (р/д — коэффициенты и фазовые углы.
Разработанный трехточечный метод позволяет не только исключать алияние погрешности движений формообрабатывающих узлов станка на результаты оценки точности размеров и формы измеряемых поверхностей деталей, но и. напротив, при вычитании из показателей известных величин, относящихся к форме измеряемой поверхности, позволяет оценить точностные характеристики станка.
Трехготечная измерительная система малочувствительна к погрешностям установки углов между преобразователями и отклонениям продольных осей измерительных преобразователей.
При обработке изделий в автостроении одной из основных задач яаляется обеспечение высокой точности формы функциональных поверхностей (поршни ДВС, гильзы цилиндров, шейки и отверстия под коленчатые валы и др.). Форма этих поверхностей все чаще является отличной от кругового цилиндра, что обеспечивает оптимальные условия эксплуатации. На рис. 12.11 предоставлены точностные требования к профилю поршня ДВС —типового изделия с жесткими допусками на точность формы.
Одним из существенных факторов, обеспечивающих технологическую точность оборудования в процессе его эксплуатации, является точность формозадающих узлов станка, влияющая на точность формы обработанной поверхности. Однако выделить этот фактор из суммарной погрешности обработки достаточно сложно. В частности, при отделочной обработке незначительного влияния режимов резания и других динамических фак-
573
Рис. 12.11- Точностные требования к профилю поршня: Т — допуск на радиус-вектор профиля
торов первостепенную роль в образовании отклонения формы в поперечном сечении обрабатываемой детали играет неточность вращения шпинделя.
Состояние и точность шпиндельного узла удобно оценивать по траектории его оси, представляющей собой путь точки, полученной при пересечении геометрической оси шпинделя с перпендикулярной ей плоскостью, за один или несколько оборотов шпинделя. Как правило, используют некоторую усредненную траекторию после ряда замеров (рис. 12.12).
Имея уравнение радиуса-вектора траектории оси шпинделя, можно аналитически определить отклонение формы обработанной детали выявить взаимосвязь формы траектории и формы обрабатываемой поверхности детали.
При обработке наружной поверхности (см. рис. 12.12) из-за прецессии оси шпинделя непрерывно изменяегся расстояние от вершины резца до мгновенного центра вращения обрабатываемой детали, который перемещается (прецессирует) по траекто-574
Рис. 12.12. Взаимосвязь траектории оси .шпинделя с формой обработанной детали
рии оси шпинделя. Радиус-вектор обработанной поверхности в полярной системе координат, представляющей собой геометрический центр траектории, описывают следующим выражением:
R = 0}А ~0tB = 0tA - г sin ф
В данной формуле принято, что в формировании отклонений обрабатываемой поверхности участвует только вертикальная проекция радиуса-вектора R траектории на линию, соединяющую вершину резца с центром траектории, в силу малости угла а. Выявив закон зависимости радиуса-вектора R от угла <р, легко найти взаимосвязь формы обработанной поверхности и формы траектории:
R — OtA - г sin ф.
Закон зависимости радиуса-вектора г траектории от угла можно определить при помощи измерительно-диагностического комплекса, схема которого представлена на рис. 12.13.
Устройство содержит два идентичных канала: условно верти- • кальный «У» и горизонтальный «X». Каждый канал содержит два токовихревых датчика 1 (рис. 12.13), установленных в приспо-
575
Рис. 12.13. Измерительно-диагностический комплекс
соблении 2 под углом 180° друг к другу. Начальные зазоры между каждым из датчиков и контрольной оправкой 3 равны между собой и находятся в пределах 0,5—2 мм. Пересечение осей вертикальных и горизонтальных датчиков номинально совпадает с осью контрольной оправки.
Обмотка датчика включена в колебательный контур генератора 4. При изменении зазора между датчиком и оправкой изменяется индуктивность датчика, а с ней частота колебаний генератора. в контур которого включен датчик. При уменьшении зазора частота возрастает, а при увеличении — уменьшается. Сигналы двух генераторов поступают в смеситель 5 и фильтр 6, где один из них вычитается из другого. При перемещении контрольной оправки в направлении датчика / зазор между ним и оправкой уменьшится на величину Д. На столько же увеличится зазор между датчиком 3 и оправкой. Частота генератора, в которой включен датчик 1, соответственно увеличится на Д/ь а генератора, в который включен датчик 3, уменьшится на Д6-
Все элементы генераторов и датчиков идентичны, поэтому изменения частоты, вызванные колебаниями температуры, временным дрейфом и пр., практически одинаковы и компенсируют друг друга.
Частогно-модулированный сигнал дифференциального датчика демодулируется, и из него выделяются низкочастотная и постоянная составляющие, характеризующие колебание оправ-
ки и ее смещение по отношению к начальному положению. Указанное преобразование происходит в усилительно-преобразовательной схеме, состоящей из усилителя 7, симметричного амплитудного ограничителя 8, служащего для устранения паразитной амплитудной модуляции сигнала дифференциального датчика, вызванной неоднородностью электропроводности поверхности контрольной оправки и различными электрическими наводками в кабеле, соединяющем дифференциальный датчик и усилительно-преобразовательную схему частного детектора 9 и фильтра низких частот 10, служащего для выделения низкочастотной и постоянной составляющих сигнала. С выхода усилительно-преобразовательной схемы сигнал поступает на запоминающий осциллограф 11. Для анализа сигналов используют ЭВМ 13 и АЦП 12. С вертикального канала — на вход «1>>, с горизонтального — на вход «Л». На дисплее получается изображение траектории оси оправки.
Полученный сигнал является электрической копией проекции радиуса-вектора траектории оси шпинделя на линию, соединяющую вершину резца и центр траектории. Закон изменения этого сигнала полностью идентичен закону изменения проекции радиуса-вектора R функции угла (р. Поскольку этот закон периодический, его можно представить в виде тригонометрического ряда:
к
U = кг sin (р = cos(Axp + (pfc).
j-g
Выходной сигнал усилительно-преобразовательной схемы подается в аналого-цифровой преобразователь, где он преобразуется в цифровую форму и вводится в ЭВМ. После обработки по специальной программе ЭВМ выдает смоделированную форму сечения.
Радиус-вектор обработанной поверхности в общем виде будет описываться выражением
к
i А « 0}А — ^Aj cos(A<p + <р*).
/=0
При числовой реализации этого выражения можно на экране дисплея получить форму поверхности в заданном продольном и поперечном сечениях.
37-5935 г77
Взаимосвязь формы траектории и формы поверхности детали можно выявить графо-аналитическим методом, сущность которого заключается в нахождении геометрического центра замкнутой траектории, из которого проводится окружность, разбивающаяся впоследствии на равные дуги. Из центра окружности через точки, разделяющие дуга, проводят прямые, пересекающие траекторию. Точки, полученные при пересечении прямых с траекторией, используют как опорные — их ординаты берутся для построения профиля детали, который получают следующим образом. Строят окружность произвольного диаметра, но не меньшего, чем радиус описанной окружности траектории (так как от величины диаметра будет зависеть «коэффициент увеличения профиля»), и разбивают на секторы с углами, равными углам между соседними прямыми. Радиус построенной окружности принимают равным начальному радиусу OiA прогнозируемого профиля. Определяют значения радиусов-векторов, соответствующих радиальным опорным точкам. Далее из центра окружности откладывают радиусы-векторы на соответствующих линиях. На рис. 12.14 представлен профиль обработанной поверхности, полученный при помощи изложенной методики и соответствующий траектории оси шпинделя, показанной на рис. 12.15.
Рис 12.14. Прогнозируемый профиль поверхности
578
Рис 12.15. Графоаналитический метод прогнозирования формы обрабатываемой детали
В табл. 12.1 представлены некоторые виды траекторий, описываемые простыми уравнениями, и соответствующие им профили обработанных поверхностей.
Таблица 12 1 Прогнозируемые профили обработанных поверхностей
37*
579
При исследовании траектории прецессии оси ротора возникают трудности, связанные с выделением из общего сигнала датчиков собственно траектории, что связано с помехами, присущими методам измерения.
Для получения аналитической взаимосвязи формы траектории и формы детали необходима разработка новых методов и средств диагностики шпиндельных узлов.
Известные приборы имеют недостаток, который полностью исключает возможность использования их для выявления аналитической взаимосвязи отклонения формы обработанной поверхности детали и формы траектории оси шпинделя. Имеет место следующий отрицательный эффект: при абсолютно нулевом биении шпинделя траектория прецессии оси — точка, но на экране изображается траектория с размахом порядка 20—30 мкм. Эта «начальная» траектория является систематической погрешностью прибора и крайне ограничивает его функциональные возможности. Причина такого эффекта — неравномерность удельной электропроводности материала контролируемой поверхности по периметру.
В настоящее время стремятся вводить информацию при диагностировании агрегата непосредственно в компьютер. Наилучшим образом эта задача решается при использовании электрических методов измерения с применением анализирующей электронной аппаратуры.
Не все датчики пригодны для технического диагностирования оборудования, характеризуемого высокими скоростями процесса эксплуатации. На металлорежущих станках скорости вращения шпинделей достигают 150 000 с"1. Такие быстротекущие процессы способны контролироваться лишь бесконтактными датчиками: емкостными и индуктивными или оптическими.
Оптические датчики отличаются повышенной сложностью и малой надежностью. Емкостные — слишком чувствительны к изменениям условий окружающей среды (влажность, пыль и др.), и в производственных условиях их применение ограниченно.
Все погрешности, возникающие в процессе механической обработки, в соответствии с природой их проявления принято разделять на систематические (постоянные и переменные) и случайные.
В результате возникновения случайных погрешностей происходит рассеивание размеров и формы поверхностей деталей, обработанных при одних и тех же условиях, что вызывается совокупностью многих факторов случайного характера, проявляю-580
щих свое действие одновременно и независимо друг от друга. К таким факторам относят колебания твердости обрабатываемого материала и величины снимаемого припуска, колебания температурного режима обработки и упругих отжатий элементов технологической системы под влиянием нестабильных сил резания и др. Случайные факторы, как правило, влияют на размер и форму поверхности детали.
Систематические погрешности имеют вполне определенную величину и при аналитических расчетах точности суммируются алгебраически с учетом знака (направления действия).
Случайные факторы в зависимости от характера изменения их математических ожиданий и дисперсий за время изготовления партии деталей делят на четыре группы:
факторы, математические ожидания и дисперсии которых остаются постоянными во времени;
•S факторы, у которых математические ожидания изменяются во времени, а величина дисперсии остается фиксированной;
факторы, характеризующиеся изменением дисперсии во времени при постоянном математическом ожидании;
•S факторы, у которых одновременно изменяются во времени и математическое ожидание, и дисперсия.
Такая классификация случайных факторов дает возможность определить характер точностной диаграммы хода технологического процесса во времени и установить суммарный закон распределения производственных погрешностей.
Процессы, протекающие в технологической системе и влияющие на точность обрабатываемых деталей, делят на три категории:
1. Быстропротекающие процессы, имеющие периодичность, измеряемую обычно долями секунды. Их определяют факторы, влияющие на взаимное положение заготовки в каждый данный момент времени и искажающие размеры и форму обрабатываемых деталей.
2. Процессы средней скорости, протекающие за время непрерывной работы станка, измеряют обычно в минутах или часах. К этой категории относят обратимые процессы, например, процессы изменения температурных полей узлов технологической системы и окружающей среды и необратимые, например, процесс изнашивания режущего инструмента, протекающий во много раз интенсивней процесса изнашивания узлов и деталей станка или приспособления.
581
3. Медленные процессы, протекающие в течение всего периода эксплуатации станка — изнашивание механизмов и деталей технологической системы, перераспределение внутренних напряжений в деталях, ползучесть металлов, загрязнение поверхностей трения, сезонные изменения температуры и др.
Многие систематические погрешности можно классифицировать по их влиянию на форму и расположение геометрических осей обрабатываемых поверхностей деталей.
Построение математической модели технологического процесса и исследование ее дает возможность целенаправленно воздействовать на процесс обработки, а экономическая оценка результатов воздействия позволяет осуществлять оптимальное управление процессом.
Необходимость оптимального управления в условиях стохастического характера производства, когда на выходные параметры процесса оказывает влияние большое число факторов (основная часть которых изменяется с течением времени), обусловливает разработку и внедрение АСУ ТОД и КП. Задачи таких систем следующие: сбор и анализ информации о действительных значениях факторов технологического процесса, определяющих качество продукции; обработка экспериментальных данных и оценка степени влияния каждого фактора: построение статистической модели операций обработки; экономическое сравнение различных вариантов управляющих воздействий и выбор оптимального плана управления, обеспечивающего заданное качество обработки при минимальных стоимостных затратах.
Для эффективного управления технологическими процессами с использованием ЭВМ необходимо располагать подробной информацией о том, какие факторы влияют на суммарную погрешность обработки, какова сила их влияния. Для решения этой задачи рекомендуется использовать математический аппарат, действие которого основано на применении дисперсионного анализа и теории планирования эксперимента. Это позволяет после предварительного обследования операций (для выбора факторов, которые могут оказывать влияние на суммарную погрешность обработки) и выполнения минимально необходимого числа измерений (позволяющих установить связь между значениями каждого фактора и величиной суммарной погрешности) количественно определить степень влияния факторов и их взаимодействий на выходные параметры детали.
582
Наличие большого числа факторов ставит в разряд важнейших задачу системного выделения из них доминирующих на фоне всех остальных, так как устранение этих факторов или хотя бы ослабление их действия значительно повышает точностные параметры технологической системы. Указанные факторы по сути могут быть количественными и качественными.
Исходные факторы не должны находиться между собой в функциональной зависимости, так как существование функциональных и близких к ним связей между факторами показывает, что они характеризуют одну и ту же сторону изучаемой первичной погрешности и, следовательно, в какой-то мере дублируют друг друга. Факторы должны непосредственно воздействовать на выходной точностный параметр и быть однозначными.
Желательно, чтобы факторы были количественными, поскольку учет качественных факторов, как правило, требует больших дополнительных усилий. Кроме этого, при отборе факторов необходимо устанавливать их область определения.
В настоящее время разработаны различные методы, позволяющие выделять существенные доминирующие факторы на «шумовом фоне» всех остальных. К их числу относят: аналитический расчет погрешностей обработки; экспертные оценки и некоторые другие методы, применяющиеся при математическом моделировании технологических процессов.
В начальный период работы оборудования основными факторами, влияющими на точность формы обрабатываемых деталей, являются такие, как температурные деформации оборудования, силовые деформации деталей и режущего инструмента, погрешности базирования деталей, колебания твердости и размеров заготовок, колебания характеристик обрабатываемого материала, износ режущего инструмента, а также точность изготовления и сборки отдельных сборочных единиц станка.
По мере износа оборудования на первое место по значимости выходят факторы, связанные с потерей геометрической точности станка и приспособлений: износ направляющих и оправок, узлов шпинделей, центров и оправок; уменьшение жесткости бабок, суппорта, центров и шпинделей.
В настоящее время разрабатываются системы управления точностью, основанные на контроле комплекса значимых возмущающих факторов и выходных характеристик процесса. В этих системах осуществляется постоянное или дискретное слежение за уровнем каждого значимого фактора, а управляет процессом ком-
583
пьютер, в который закладывают модель операции и допустимые значения отклонений выходного параметра точности.
На первоначальных этапах внедрения АСУ измерение значений параметров можно осуществлять стандартными приборами. Однако для широкого применения метода необходима разработка комплекса датчиков, измерительных устройств, передвижных стендов ддя диагностики технологического процесса, позволяющих автоматизировать операции сбора исходной информации.
Применение программируемых контроллеров и мини-ЭВМ для управления работой технологического оборудования на заводах массового производства позволяет автоматизировать передачу и обработку первичной информации, а также передачу управляющей информации от ЭВМ к станочным линиям, т. е. создается техническая возможность разработки автоматизированной системы управления качеством продукции.
Для повышения уровня автоматизации АСУ необходимы разработка и применение в производственных условиях надежных технических средств диагностики основных параметров технологических процессов изготовления продукции и станочного оборудования, разработка необходимого комплекта датчиков, приборов, измерительных устройств, позволяющих автоматизировать сбор исходной формации для управления качеством продукции в массовом и крупносерийном производстве.
Среди трудностей, препятствующих созданию эффективных систем управления по возмущению, — проблема создания диагностических датчиков, позволяющих измерять в процессе обработки значения факторов, порождающих отклонения размеров и формы, а также проблему построения математических моделей технологических процессов, учитывающих временной дрейф. Одним из таких датчиков является токовихревой датчик, обеспечивающий измерение малых перемещений в производственных условиях.
Наибольшее распространение получили системы управления размерной точностью. Значительно меньше разработано систем управления точностью формы и практически нет систем управления точностью взаимного расположения обрабатываемых поверхностей вращения.
В то же время такой важнейший выходной параметр точности, как реальная форма поверхностей вращения, используется недостаточно для выработки управляющих воздействий на параметры технологической системы. Одним из мощных средств активного воздействия результатов контроля на технологические 584
процессы, выявления причин возникновения тех или иных погрешностей является анализ формы обрабатываемых поверхностей деталей, который создает объективные предпосылки для суждения о количественной роли технологических факторов в образовании изучаемых погрешностей.
12.3. Моделирование технологических процессов
Необходимым этапом исследования показателей технологического процесса стало его моделирование, т. е. воспроизведение изучаемого процесса с сохранением зависимостей и физических характеристик для дальнейшего получения общих закономерностей, связанных с исследуемым процессом.
В настоящее время определяются следующие пути создания математических моделей процесса формирования параметров точности изделия (рис. 12.16):
— использование теории случайных функций, которая позволяет аппроксимировать лишь наиболее изученные линейные и стационарные производственные процессы;
— аналитические и имитационные математические модели, основанные на базе статистического анализа случайных величин.
| Моделирование систем |
_________I " -1 — ~ — -1_____________
[Детерминированное | | Стохастическое |
Р Статическое [ [ Динамическое |
[ Дискретное [ | Дискретно-непрерывное | [ Непрерывное [
£ Реальное j
| Мысленное
Рис 12.16. Методы моделирования систем
585
Данные математические модели используются для моделирования реальных технологических процессов с большой эффективностью.
Однако широкое применение методов активного планируемого многофакторного эксперимента для формирования моделей процессов существенно ограничено трудностями выведения параметров металлорежущих станков на заданные уровни. Учитывая, что технологические процессы различаются степенью детерминированности и стационарности, а также присутствием временного дрейфа параметров, математическое моделирование существенно усложняется. Поэтому необходима разработка новых методик создания математических моделей.
Аналитические и имитационные модели практически можно реализовать по следующим направлениям:
J управление технологической точностью оборудования путем прямого действия на параметры его узлов;
J разработка систем адаптивного управления;
Jрасчет ожидаемой точности обработки и корректирование на его базе уровней возмущающих факторов.
12.3.1. Аналитические и имитационные математические модели
Получение результатов при аналитическом исследовании процессов заключается в построении формул для расчета искомых величин либо в проведении исследований самих уравнений качественными методами.
Задача имитационного моделирования заключается в построении для исследуемого процесса соответствующего моделирующего алгоритма, имитирующего поведение элементов сложной системы процесса и их взаимодействий с учетом возмущающих факторов.
Если результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели технологического процесса, являются реализациями случайных величин и функций, то для нахождения характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение с последующей статистической обработкой информации, и целесообразно в качестве метода машинной реализации имитационной модели использовать метод статистического моделирования.
Этот метод позволяет решать весьма сложные задачи, так как имеет ряд существенных преимуществ перед аналитическими методами и другими видами моделирования. Исследуемый про-586
цесс может быть одновременно подвержен воздействию многочисленных случайных факторов сложной природы, содержать элементы непрерывного и дискретного действий, описываться громоздкими нелинейными соотношениями и т. д
Определенное значение имеет метод статистического моделирования при решении задач, связанных с автоматизацией управления процессами. Полученные результаты моделирования позволяют вскрыть количественные закономерности исследуемого процесса, которые являются существенными при автоматизации управления, выявить потоки управляющей информации и выбрать алгоритмы управления.
Метод статистического моделирования не требует использования какой-либо специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет изменять значения параметров исследуемых процессов и начальных условий.
Вместе с перечисленными преимуществами метод статистического моделирования обладает существенным недостатком: решение имеет частный характер и соответствует фиксированным значениям параметров процесса и начальным условиям. Создание такой модели возможно лишь при наличии определенного объема исходной информации.
Затраты времени и материальных средств, направленных на реализацию статистических моделей, весьма незначительны по сравнению с затратами при натурном эксперименте.
Одним из наиболее реальных путей управления точностью обработки является применение систем, включаю'ших в себя комплекс датчиков, постоянно диагностирующих состояние наиболее значимых узлов металлорежущих станков и сборочных устройств, подключенных к компьютерам с введением в них математической модели формирования параметров точности обрабатываемой детали и набором возможных ремонтных воздействий на технологическую систему в порядке возрастания их стоимости и сложности.
Прогнозирование достижимой точности формируемого параметра на операции технологического процесса — необходимый этап технологической подготовки производства. Эта информация будет исходной для прогнозирования точности технологического процесса в целом, а следовательно, и точности функционального показателя изделия. Особое значение это приобретает в условиях производства точной продукции, когда повышение достоверности прогнозирования достижимой точности изготовления деталей и узлов позволяет существенно повысить эффективность производства.
587
В настоящее время прогнозирование надежности обеспечения заданных технических требований к готовому продукту осуществляют разными методами, основной недостаток которых — существенные ошибки в точности определения искомой величины.
Широко распространен метод, основанный на статистическом анализе точности обработки или сборки партии деталей или узлов. При этом эмпирическая кривая распределения параметра аппроксимируется одной из общепринятых дифференциальных функций распределения. В качестве аппроксимирующей для эмпирической кривой распределения параметров деталей при обработке на настроенных станках принимается кривая нормального распределения, а для таких показателей точности, как биение, отклонение от перпендикулярности и других существенно положительных величин — кривая распределения раз-махов. Корректность аппроксимации определяют с помощью критериев Колмогорова, Пирсона и др.
Анализ большого объема статистической информации показал, что точность аппроксимации эмпирических кривых распределения параметров деталей общепринятыми теоретическими кривыми совершенно недостаточна, что приводит к ошибкам прогнозирования.
12.3.2. Методы прогнозирования точностных показателей деталей
Одним из наиболее важных показателей разработанного технологического процесса является параметр надежности достижения заданных точностных характеристик.
Комплексная разработка и отладка технологических процессов изготовления и сборки машин должна включать этап обоснованного прогнозирования надежности достижения заданных точностных показателей.
Прогнозирование осуществляют на базе статистического анализа точности обработки, на основе данных репрезентативных выборок, что дает возможность рассматривать их как эмпирический аналог генеральной совокупности. Достоверность результатов статистического анализа во многом определяется точностью аппроксимации полигона распределения измеренных размеров, выбранной «теоретической» кривой, т. е. аналитическим законом распределения.
588
В качестве таких теоретических кривых в машиностроении принято использовать кривые: нормального распределения — для выравнивания эмпирических кривых распределения линейных размеров деталей и распределения размахов — для существенно положительных величин.
Однако принятие законов Гаусса и распределения размахов как единственных и универсальных часто вступает в противоречие с фактическим материалом. Указанные законы следует рассматривать лишь как одни из многих типов распределений с относительно большим удобством практической применимости. На практике невозможно априорно утверждать, что все возмущающие факторы одинаково значимы, число их стремится к бесконечности, а их значения — случайные величины. Эмпирические кривые распределения размеров ряда деталей представлены на рис. 12.17.
Из рисунка видно, что аппроксимация экспериментальных кривых упомянутыми теоретическими законами представляется необоснованной. Поэтому логично проводить выравнивание эмпирических кривых распределения гаммой специально подобранных функций, и в каждом конкретном случае в качестве теоретической кривой выбирать ту, которая позволяет получить большую точность аппроксимации. Далее рассчитывать для этой кривой коэффициенты среднего квадратического отклонения (X) и относительной асимметрии (а), которые входят в формулы, используемые при расчете размерных цепей, и тем самым существенно повысить достоверность прогнозирования точности функционального показателя изделия.
В результате теоретических поисков и машинного анализа большого объема экспериментальных данных выделена гамма теоретических законов распределения, аппроксимирующих с достаточной достоверностью полученные эмпирические кривые:
У система функций плотности Пирсона;
У система разложения производных от нормального распределения;
У закон распределения размахов;
У распределения, основанные на разложении в ряд Эджворта;
У распределения, основанные на разложении в ряд Грама-Шарлье;
У закон Вейбула.
^589
Рис. 12.17. Примеры эмпирических кривых распределения пераметров составляющих звеньев сборочной размерной цепи (СРЦ) роторного агрегата:
а — диаметр шейки вала ротора под подшипник, б—диаметр отверстия статора, в — наружный диаметр статора; г — радиальное биение отверстия под статор относительно отверстия под подшипник в крышке
На рис. 12.18 показана замена эмпирической кривой распределения значений радиального биения диаметра ротора различными кривыми распределения, на рис. 12.19 — оценка согласия законов статистического и теоретических распределений.
590
Рис. 12.18. Пример аппроксимации эмпирической кривой распределения значительного радиального биения наружного диаметра ротора относительно шеек вала ротора
Распределением, параметры которого определяются первыми четырьмя моментами (т. е. дополнительно учитываются асимметрия и эксцесс), является решение дифференциального уравнения, которое определяет систему функций плотности Пирсона. Их использование в качестве теоретического закона позволяет значительно повысить точность аппроксимации эмпирической кривой.
Оценим согласие эмпирического распределения (статистическая функция распределения) и теоретических законов распределения для решения задачи повышения точности прогнозирования надежности достижения заданного точностного показателя. Для этого рассмотрим только тот участок эмпирической кривой, который, как правило, характеризует количество бракованных деталей, т. е. конец ветви.
Теоретический закон применим в случае, если он находится внутри доверительного интервала статистической функции распределения Дх), соответствующего коэффициенту доверия д, т. е.
591
Л(х) - < F(x) < F(x) + ~L,
Jn -Jn
где F(x) — теоретическая функция распределения; F(x) — статистическая функция распределения; N — размер выборки.
Величину Vg при достаточно большом числе опытов можно определить из уравнения K(Ug) = д по таблице функции Колмогорова К(1Г).
Из рис. 12.19 видно, что при д = 0,95 каждый из упомянутых теоретических законов может быть принят в качестве модели рассматриваемого участка эмпирической кривой.
Был проведен анализ точности десяти точностных размерных параметров сборочных единиц и узлов генератора, являющихся наиболее значимыми звеньями СРЦ.
Рис. 12.19. Оценка согласия законов статистического и теоретического распре-деления:
/—закон Эджворта, 2—закон Пирсона, 3— закон Грамма-Шарля, 4— закон распределения размахов, 5 — закон нормального распределения
592
При аппроксимации участков эмпирических кривых, характеризующих количество бракованных деталей, рассмотренными теоретическими законами только в четырех случаях из 16 оптимальными являются закон нормального распределения, или закон распределения размахов. В остальных случаях ошибка при прогнозировании вероятности выхода рассматриваемого параметра за границу допуска на базе общепринятых теоретических законов может превышать 250 %.
Разработанный метод прогнозирования надежности достижения заданного точностного показателя позволяет значительно, в 4—10 раз, снизить ошибку прогноза, т. е. повысить достоверность прогноза за счет повышения точности аппроксимации эмпирических кривых отклонений размеров каждого составляющего звена СРЦ.
Зная в каждом конкретном случае теоретический закон, который дает лучшую аппроксимацию рассматриваемой эмпирической кривой, можно рассчитать для него значения относительного среднего квадратического отклонения Л и коэффициент относительной асимметрии а.
Таким образом, применение данной методики и аналитических зависимостей позволяет значительно повысить точность расчета функционального показателя изделия за счет введения в расчетные формулы СРЦ уточненных значений относительного среднего квадратического отклонения X и коэффициента относительной асимметрии o'.
12.4. Математическая модель формирования параметров точности детали
Фундаментальной частью в проблеме повышения точности и надежности обработки и сборки деталей является разработка совершенных методов управления технологическими процессами в условиях действующего производства.
Обеспечение высокой интенсивности выполнения технологических операций и качества получаемой продукции при наименьших затратах, а также многих других требований, которые предъявляются в настоящее время к технологическим процессам, связано с необходимостью получения обработки больших объемов информации для управления технологическими процессами.
38 — 5935
593
Управление технологическими процессами основывается на общих принципах теории управления. Применение общих методов описания объектов в теории управления приводит к представлению современного технологического процесса в виде многомерного объекта, блок-схема которого приведена на рис. 12.20.
На входе технологического процесса действует векторная переменная X с составляющими хц х2, хп. К этим переменным относят все характеристики заготовок и полуфабрикатов (твердость, химический состав заготовок, точность размеров и т. п.), используемых в данном технологическом процессе. Через векторную функцию Z с составляющими zi, Z2, —, Zi обозначены параметры, характеризующие условия протекания технологического процесса. К этим переменным относятся характеристики хода технологического процесса (температура в зоне резания, подача, частота вращения, производительность и т. п.). Характеристики полученной детали: размеры, шероховатость поверхности, стоимость и т. п. — описываются вектором Y = 0>j ,у2, —, Ут), т. е. выходными переменными процесса.
В обшем случае нет необходимости разделять переменные X и Z. и они обычно объединяются в группу входных переменных. Исходя из этого, технологический процесс может быть представлен блок-схемой (рис. 12.21). На входе технологического процесса действует векторная случайная функция Х = (хь xz,...» л^), а на выходе получаем векторную случайную функцию Y == (уь у2, ...» ут). При этом функция X включает входные переменные,
Рис. 12.20. Блок-схема технологического процесса в виде многомерного объекта с выделением параметров, характеризующих ход процесса
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Рис 12.21. Блок-схема многомерного технологического процесса
594
часть из которых является управляющими, и они могут относиться как к характеристикам заготовок, так и к параметрам технологического процесса.
Такое представление технологического процесса дает возможность рассмотреть его как объект-систему преобразования случайных функций X в случайные функции Y, позволяет построить математическую модель, рассматриваемую как объект управления во времени или в моменты, соответствующие определенным этапам технологического процесса.
В ходе исследования параметров технологического процесса всегда выделяются существенно технологические факторы X, влияние которых на объект управления подлежит изучению. Это входные или независимые переменные. Кроме того, выбирается точностный параметр Y — выходная переменная.
Задача управления технологического процесса — исследование точностного параметра Y при изменении существенных факторов X, т. е. изучение функции Y=/(X).
При исследовании параметров технологических процессов часто сталкиваются с выходными величинами переменного характера, которые в ходе опытов могут принимать различные численные значения в определенных интервалах и, следовательно, по своему характеру относятся к категории случайных величин. Например, суммарная погрешность обработки, отдельные виды погрешностей обработки, средняя высота микронеровностей на обработанной поверхности, физико-механические свойства материала заготовок и т. д. представляют собой по сути случайные величины.
Если изучаемая выходная величина носит переменный характер и она обоснованно может быть отнесена к категории случайных величин, то для ее исследования наиболее целесообразно применение статистических методов. Однако применяемые статистические методы предъявляют достаточно жесткие требования к качеству и объему исходной информации. Основные из них — это большой объем наблюдений и однородность исследуемой совокупности.
Методики формирования статистических моделей основаны на базе ортогональных и рототабельных центральных композиционных планов; непрерывных Д-оптимальных планов для квадратичной регрессии на гиперкубе (планы Кифера); непрерывных Д-оптимальных планов для кубической регрессии на гиперкубе (планы Коно); планов на основе греко-латинских квадратов и кубов; планов эксперимента в условиях аддитивного дрейфа, опи-
38*
595
сываемого детерминированной функцией времени; планов эксперимента в условиях неадаптивного случайного дрейфа.
Опыт исследований показал, что с совершенствованием вида модели и плана экспериментов для ее формирования корректность модели возрастает, но в то же время все они оказываются неустойчивыми во времени, т. е. через определенный промежуток времени теряют свою адекватность. Это объясняется тем, что большинство технологических процессов обработки деталей резанием и методами ППД протекает в условиях неаддитивного случайного дрейфа, учитывать и прогнозировать который крайне сложно. Гораздо проще периодически корректировать модель. Вместе с тем выполнение сложных планов многофакторных экспериментов в производственных условиях затруднительно, а часто просто невозможно. Действительно, вывести на заданный уровень такие технологические факторы, как износ подшипников и направляющих, степень затупления инструмента, колебания припуска и твердости и др. в действующем технологическом процессе крайне затруднительно. Поэтому необходимо разработать такой метод построения модели, который в основе имел бы текущую информацию о сочетаниях возмущающих факторов и достигнутом значении изучаемого параметра. причем модель должна периодически корректироваться по мере утраты ею адекватности.
12.5. Математическая модель как объект управления действующего технологического процесса в условиях массового производства
Широкое применение находят методы управления технологическими процессами, для которых характерно использование теории случайных процессов, теоретико-вероятностных методов, математического моделирования и идентификации объектов управления.
Идентификация объекта — это построение математической модели, устанавливающей зависимость между выходными и входными параметрами объекта, которая дает возможность определить с заданной точностью значение выходного параметра объекта по входным параметрам. Важнейшее преимущество этого математического аппарата в отличие от традиционных расчетных методов определения погрешностей обработки, требующих экспериментального определения отдельных составляющих суммарной погрешности обработки деталей, — математическое моделирование точностных параметров технологических про-596
цессов. Как метод управления параметрами точности оно основывается на использовании таких нормированных технологических параметров, как усилие резания, колебания припусков и твердости заготовок, износ инструмента, деформация технологической системы и др., величина которых известна либо может быть измерена значительно проще.
Особую актуальность вопрос идентификации технологического процесса как объекта приобретает для процессов механической обработки и сборки деталей, когда разработчик не имеет достаточной информации о ранжировании независимых переменных Xi, Х2, ... х„ по степени их важности для предсказания переменной у.
Экспериментально доказано, что действующие технологические процессы в машиностроении, как правило, являются «плохо организованными» (слабо детерминированными) системами, отличительными признаками которых являются большое число переменных, высокий уровень шумов, временной дрейф и пр.
В силу указанных причин сформулировать сколько-нибудь обоснованные гипотезы о функционировании подобных систем и аналитические зависимости обычно не удается. Поэтому в качестве математической модели предлагаются полиномивльные модели, в которых функция отклика представлена в виде полинома
к к
у=ьо +2*л +•••»
i=\ KJ 1=]
в котором коэффициенты Ъъ, b:i, btt, ... определяются иа основании данных эксперимента.
Условия эксперимента представляют в виде таблицы-матрицы планирования, где строки соответствуют различным опытам, а графы — значениям факторов. Эксперимент, в котором реализуются все возможные сочетания уровней, называют полным факторным экспериментом.
На практике часто факторы измеряются на небольшом числе уровней. Если важно узнать, какие факторы оказывают существенное влияние на технологический процесс, можно, выбрав два уровня для каждого исследуемого фактора, быстро провести расчеты, используя методы дисперсионного анализа, специально разработанные для этого случая. На выбор интервалов варьирования накладываются ограничения снизу (он не может быть меньше ошибки фиксирования уровня фактора) и сверху (верхний и нижний уровни не должны выходить за область определения).
597
Результаты дисперсионного анализа технологической операции позволяют оценить степень влияния рассматриваемых факторов на погрешность обработки детали. В случае, если управляющие воздействия на операцию не однозначны (значимыми оказались несколько факторов) и необходимо выбрать оптимальный план обеспечения требуемой точности обработки, дальнейшее исследование вопроса необходимо осуществлять на основе использования статистической (регрессионной) модели операции.
Однако наличие существенного временного дрейфа процессов, низкий уровень их детерминированности и высокая трудоемкость необходимого эксперимента способствовали последовательно отказаться от их практического применения из-за быстрой потери адекватности модели.
В направлении решения проблемы была сделана попытка привлечь для математического моделирования аппарат пошаговой множественной регрессии, который'является статистическим методом анализа связи между зависимой выходной переменной У и множеством независимых переменных Xi, л&,... хй. Он принципиально способен осуществить ранжирование для выбора независимых переменных в порядке их значимости.
Основы теории множественной регрессии известны, однако сложность и громоздкость необходимых вычислительных процедур долгое время являлись препятствием для их практического применения, и лишь разработка совершенного программного обеспечения позволила бы привлечь эти методы к решению практических задач.
Однако для построения математических моделей действующих технологических процессов в машиностроении в условиях массового производства по статистическим характеристикам процесса метод множественной регрессии не применялся ввиду отсутствия методики для выбора независимых переменных Хь х?,хп в порядке их значимости. Очевидно, что при этом необходимо умение определять взаимосвязь и значимость входных факторов.
12.6. Корреляционно-регрессионный анализ
Регрессионный анализ — это вычисление параметров регрессионной модели и соответствующих ей вероятностных характеристик. Форма модели и набор факторов, входящих в модель, предлагаются при этом определенными заранее. Одним из таких предшествующих этапов является корреляционный ана
598
лиз — вычисление различных характеристик степени взаимосвязи показателей и факторов между собой.
В практических исследованиях методы регрессионного анализа тесно переплетаются с корреляционным анализом на всех стадиях моделирования: от определения формы связи функции с аргументами до отыскания набора существенно значимых для показателя процесса факторов.
Все количественные характеристики регрессионной модели (коэффициенты уравнения регрессии, коэффициенты детерминации и др.) являются в конечном итоге некоторыми, хотя и не выраженными в явном виде функциями парных коэффициентов корреляции средних значений и дисперсий показателей и факторов.
Таким образом, аппарат корреляционно-регрессионного анализа — действенный инструмент в решении задачи выделения набора значимых факторов, и его применение дает хорошие результаты. Однако в процессе его реализации возникает ряд противоречий, определяющихся недостаточной корректностью общепринятых приемов. Одна из таких проблем — практика оценки адекватности модели с помощью критерия Фишера в условиях существенного временного дрейфа.
В качестве примера рассмотрен конкретный технологический процесс изготовления трехопорного нежесткого вала автомобильного стартера, при обработке которого имели место значительные трудности (рис. 12.22). Известные методы управления качеством изделия результатов не давали. В конце обработки на поверхности детали оставались следы черновой обработки на шейках вала под подшипники — это окончательный брак изделия. Причина брака явно не определялась, а сам технологический процесс представлялся структурно сложным и ступенчатым. Первоосновой такого брака является некруглость функциональной шейки вала перед финишной обработкой, образовавшаяся в результате целой гаммы технологических причин и их сочетаний.
Рис. 12.22. Трехопорный вал генератора
599
Для управления качеством обработки этой детали была применена методика имитационного моделирования процесса и формирования блок-схемы функциональных взаимосвязей В данном случае применяемый технологический процесс обработки по структуре и показателям не ставился под сомнение и принимался как данность, хотя по факту окончательного брака детали совершенно очевидно, что технические условия (ТУ) на изделие находятся на пределе или превышают точностные возможности оборудования.
Цель моделирования — получение доказательства того, что путем направленного воздействия на возмущающие и управляющие факторы можно управлять качеством продукции, оптимизируя затраты на управление.
Причина некруглости шейки под подшипник оставалась не вполне ясной. Чем выше ТУ на изделие, более жесткий допуск, ниже точность технологического оборудования, тем менее управляем технологический процесс, тем чаше получение годного изделия представляет собой «случайное» явление. Для управления параметрами такого процесса необходима динамичная математическая модель, учитывающая временной дрейф процесса.
В результате проведения экспериментальных исследований параметров действующего технологического процесса обработки вала стартера были выявлены технологические операции и существенные факторы, оказывающие влияние на формирование формы шейки вала. Эти факторы обозначены индексами Xz, выходные показатели качества — Yy.
В состав технологической цепочки, представленной в виде блок-схемы на рис. 12.23, включены операции, связанные непосредственно с обработкой рассматриваемой поверхности — токарная обработка, бесцентровое шлифование и операции, на которых закладываются технологические базы — токарная обработка на токарных полуавтоматах, промежуточные операции, на которых формируется отклонение точностных параметров вала стартера, например закалка ТВЧ.
На рис. 12.24 приведена структурная схема машинной программы.
Одной из проблем, возникающих при автоматизации научных исследований, является проблема получения математического описания параметров объекта управления на основе массива экспериментальных данных. В качестве примера представлены результаты аппроксимации эмпирических кривых распределения значений биения прутка заготовки вала стартера при контроле смещения оси центрового отверстия и результаты размерного ана-600
Рис. 12.23. Блок-схема формирования точностного параметра вала — погрешности формы шеики под подшипник 0 16,1
лиза шейки вала диаметром 0 17,2_Оз при исследовании условий обработки заготовок вала на токарных автоматах разными теоретическими законами, а для лучшей наглядности — в виде графиков эмпирического распределения и теоретической кривой, для которой сумма квадратов отклонений наименьшая (рис. 12.25).
Для проверки адекватности модели предложен график изменения величины ошибки е, т. е. разницы между замеренными и рассчитанными значениями отклика от рассчитанных значений отклика Y или от независимых переменных Хг, i — 1, ..., п.
При попадании ошибки в горизонтальную полосу с центром на оси абсцисс модель можно рассматривать как адекватную. Расширение полосы при возрастающих Y или X указывает на отсутствие постоянства дисперсии. В частности, дисперсия может быть функцией bQ + Ь\х, что делает необходимым преобразование переменной Y. График, показывающий линейный тренд, дает основание для введения в модель дополнительной независимой переменной и указывает, что в модель должен быть добавлен линейный или квадратичный член.
601
Ввод значений переменных, числа переменных н опытов Таблицы исследуемых функции
Расчетпараметра F-критерий |
Вычисление корреляционной матрицы
Расчет статистик /^-включения н F-удаления
Выбор предикторов из числа независимых переменных
Расчет параметров регрессионного уравнения методом МНК
~~~ ~~ ТГ ~
I Вычисление таблицы отклонений I
Расчет стазястик, определяющих эффективность набора независимых переменных
Печать исходных данных и результатов счета
Рис. 12.24. Структурная схема машинной программы построения имитационной модели
Рис. 12.25. Аппроксимация полигона распределения результатов размерного анализа шейки вала диаметром 17,2_8S (I партия) теоретической кривой по закону Эджворта
В качестве примера рассмотрена математическая модель операции второго предварительного шлифования вала стартера, блок-схема которой приведена на рис. 12.26.
Реализуя машинную программу построения имитационной математической модели методом пошаговой множественной регрессии, используя в качестве предполагаемого ретрессионного уравнения полином второго порядка, получена следующая математическая модель формирования погрешности формы опорной шейки вала на операции второго предварительного шлифования:
Y = Z>0 + bxxt 4-бцХ2 4~е.
При построении графика изменения ошибки е в зависимости от Y (рис. 12 27) установлено: ошибки не попадают в горизонтальную полосу с центром на оси абсцисс, а рассеяние ошибок представляет собой полукольцо
При включении в состав существенных технологических факторов номера по порядку обрабатываемых деталей в процессе шлифования математическая модель имела следующий вид-
Y' = bc 4-Zj/xj 4-^цХ2 +Ь6х6 + е'.
Построенный график изменения ошибок е' (рис. 12.28) подтверждает правильность предположения о значимости фактора номера обрабатываемых деталей, так как доказывает адекватность полученной математической модели.
Таким образом, применяя указанный математический аппарат и пошаговый поиск причин возникновения погрешностей, можно
2-е предварительное бесцентровое шлифование
Рис. 12.26. Блок-схема формирования точиостйого параметра на операции 2 бесцентрового шлифования
Х; — входные параметры, Х| — исходная погрешность формы опорной шейки под подшипник со стороны коллектора, х2 — биение опорной шейки со стороны привода после термообработки заготовок ТВЧ, х2 — биение опорной шейки со стороны коллектора после термообработки заготовок ТВЧ х< —биение средней опорной шейки после термообработки ТВЧ, х$ — фактически снятый минимальный припуск на опорной шейке со стороны коллектора при бесцентровом шлифовании, у — погрешность формы опорной шейки вала со стороны коллектора после операции бесцентрового шлифования
603
Рис, 12.27. Блок-схема формирования точностного параметра на операции 2 бесцентрового шлифования с дополнительным Технологическим фактором
Рис. 12.28. График зависимости ошибок е от рассчитанных значений отклика ¥, доказывающий отсутствие в уравнении регрессии значимого фактора
управлять процессом изготовления продукции с целью обеспечения ее заданного качества. Разработка диагностических систем с применением соответствующих датчиков и специализированных компьютеров для обработки по заданным программам результатов измерений параметров обработанных деталей или собираемых изделий позволит автоматически контролировать технологический процесс и целенаправленно воздействовать на его параметры.
Вопросы для самопроверки
1. Как влияет исходная макрогеометрия гильз цилиндра ДВС на ресурс их работы?
2 Чем характеризуются медленно протекающие процессы?
3. Перечислите точностные требования к поршию ДВС.
4. Какие методы моделирования систем управления точностью вам известны?
604
Рекомендуемая литература
1. Технология машиностроения Т.1 / Под общ. ред А.М. Дольского. — М.: Изд.-во МГТУ им Н.Э Баумана, 1998. — 559 с
2 Технология машиностроения. Т 2/ Под общ ред. Г.Н. Мельникова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н Э. Баумана, 1998. — 663 с.
3. Базров Б М. Модульная технология в машиностроении — М.: Ма<-шиностроеиие, 2001 — 368 с.
4. Феофанов А.Н. Гибкие автоматические линии в машиностроении. — М.: Изд-во «Янус-К», 2002. — 190 с.
5. Норенков И П. Основы автоматизированного проектирования. Учебн. для вузов. ~ М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. — 360 с.
6 Технология автомобилестроения / Под общ. ред. А И. Дащен-ко. — М.‘ Акад, проект, 2005. — 684 с.
7, Шнейдер Ю.Г Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. — Л.: Машиностроение, 1982. 248 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................... ,...................................... 3
Глава 1. Подготовка производства двигателей.................... . 6
1.1 Сущность подготовки производства и ее особенность......... . . 6
1.2. Роль конструктора в технологическом обеспечении качества изделия . 12
1.3. Объекты производства. Основные понятия и определения......... 16
1.4. Типы производства............................................ 19
1.5 Новые методы подготовки производства.......................... 24
1.6. Комплексные технологические процессы изготовления деталей.... 31
1.7. Технологичность конструкции изделия.......................... 34
Вопросы для самопроверки . . ............. .40
Глава 2. Материалы, применяемые в двигателестроении................ 41
Вопросы для самопроверки... ............................... 62
Глава 3. Прогрессивные методы получения заготовок.................. 63
3.1. Способы получения заготовок литьем........................... 63
3.2. Получение заготовок методами обработки металлов давлением.... 70
3 2.1. Горячая объемная штамповка.............................. 70
3.2.2. Холодная объемная штамповка............................. 81
3.2.3. Полугорячая объемная штамповка......................... 92
3.2.4. Сферодвижная штамповка.................................. 93
3.3. Термическая обработка заготовок.......................... . 94
Вопросы для самопроверки... . ............................... 96
Глава 4. Основы проектирования технологических процессов изготовления деталей............................................. 97
4.1. Выбор баз при механической обработке.......................... 97
4 2. Припуски на механическую обработку........................... 103
4.3. Расчет режимов резания и техническое нормирование............ 106
4.4. Точность механической обработки и ее обеспечение в производстве . . 111
4.5 Контроль точности деталей................................... 124
4 6. Характеристики поверхностного слоя........................... 127
4.6.1. Образование регулярных микрорельефов на поверхностях деталей 137
4.6.2. Классификация регулярных микрорельефов и их особенности. . 139
4.6.3. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом................................................ 148
4.7. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин.........................................................163
4.8. Производительность и надежность технологического оборудования... 170
4 9. Оценка экономической эффективности технологических процессов. . . 174
Вопросы для самопроверки...................................... ... 175
Глава 5. Методы обработки поверхностей деталей ................... 176
5 1. Обработка плоских поверхностей............................... 176
5 2. Методы обработки отверстий и внутренних поверхностей деталей. . . . 177
606
5 3. Обработка наружных поверхностей деталей. . .................. 186
5.4. Обработка винтовых поверхностей резьбы . . . .“...............192
5.5. Обработка поверхностей шлицевых соединений....................201
Вопросы для самопроверки...........................................205
Глава 6. Технологические процессы обработки валов двигателей.......206
6.1. Конструктивные особенности коленчатых валов и основные требования к их изготовлению..............................................206
6.2. Особенности конструкций и технические условия обработки распределительных валов........................................256
Вопросы для самопроверки. ....................................... 277
Глава 7. Технология изготовления поршней н поршневых колец.........278
7.1. Производство поршней двигателей ........................... . 278
7.2. Производство поршневых колец автомобильных и тракторных двигателей.....................................................288
Вопросы для самопроверки......................................... 307
Глава 8. Технология производства цилиндрических зубчатых колес.....308
8.1. Особенности зубчатых колес....................................308
8 2. Материалы для изготовления зубчатых колес и методы получения заготовок.........................................................311
8.3. Особенности базирования зубчатых колес.......................313
8.4 Типовой технологический процесс обработки одиовенцовых зубчатых колес.............................................................315
8.5. Основные методы зубонарезания цилиндрических зубчатых колес. . . . 322
8.6. Особенности обработки многовенцовых зубчатых колес...........351
8.7. Автоматизация обработки зубчатых колес........................356
8.8. Контроль зубчатых колес.................................... 360
Вопросы для самопроверки........................................ 364
Глава 9. Обработка корпусных деталей...............................365
9.1 Общие требования, предъявляемые к заготовкам. . .’............365
9 2. Особенности обработки корпусных деталей................... 367
9.3. Обработка блоков цилиндров двигателей........•.......... .... 372
9.4. Особенности обработки головок цилиндров......................, 384
9.5. Обработка крышек коренных подшипников двигателя..............398
9.6. Методы и средства контроля корпусных деталей............... 399
9.7. Обработка корпусных деталей на гибких автоматических линиях .... 404
9.8. Обработка статора роторио-поршневого двигателя...............433
Вопросы для самопроверки......................................... 452
Глава 10. Методы упрочнения деталей двигателей.....................454
10.1. Объемная термическая обработка. . ......................... 457
10.2. Поверхностная термическая обработка..........................462
10.3. Химико-термическая обработка.................................472
10.4. Методы нанесения упрочняющих покрытий....................... 488
Вопросы для самопроверки...........................................491
Глава 11. Технологические процессы сборки..........................492
11.1. Сборка — завершающий этап изготовления машин.................492
11.2. Особенности сборочных процессов, организационные формы и методы обеспечения заданного качества продукции............. ........... 495
607
11.3. Виды сборочных соединений и методы их сборки. Средства механизации процессов............................................ 502
11.4. Автоматизация сборочных процессов и агрегатно-модульный метод компоновки оборудования............................................512
11.5. Основы проектирования автоматизированных процессов сборки .... 528 11.6. Роботизация сборки узлов двигателя на пневмовихревом оборудовании 543 Вопросы для самопроверки......................................... 557
Глава 12. Методы управления качеством производства двигателей... . 558
12.1. Влияние точности формы поверхностей деталей машин на надежность
нх работы.......................................... 559 12 2. Анализ факторов, влияющих иа уровень функциональных показателей
технологических систем, н методы оценки погрешностей деталей . . . 565
12.3. Моделирование технологических процессов..................... 585
12 3.1. Аналитические и имитационные математические модели.....586
12 3 2. Методы прогнозирования точностных показателей деталей , . . 588 12.4. Математическая модель формирования параметров точности детали . 593 12.5. Математическая модель как объект управления действующего
технологического процесса в условиях массового производства....596
12.6. Корреляционно-регрессионный анализ...........................598
Вопросы для самопроверки....................................... 604
Рекомендуемая литература......................................... 605
Учебное издание
Карунин Анатолий Леонидович, Дащенко Олег Анатольевич, Гладков Вадим Исаакович, Елхов Петр Евдокимович, Букин-Батырев Игорь Константинович, Зинченко Валентин Митрофанович, Копылов Леонид Владимирович, Редин Владимир Николаевич, Тетерин Василий Федорович
ТЕХНОЛОГИЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ
Редактор А.£. Володина. Внешнее оформление Т.С. Лошаков. Технический редактор М.М. Яровицкая. Компьютерная верстка И.В. Мортякоеа. Корректоры Т И. Виталева, В В. Кожуткина
Лицензия ИД № 06236 от 09.11.01. Изд. № РЕНТ-111. Подл, в печать 26.01.06. Формат 60х88'/|6. Бум. газетная. Гарнитура «Ньютои». Печать офсетная.
Объем 37,24 усл печ. л. 37,87 усл. кр.-отт. Тираж 3000 экз. Зак № 5935.
ФГУП «Издательство «Высшая школа», 127994, Москва, ГСП-4, Неглннная ул., 29/14.
Тел.: (095) 200-04-56. http-//www.vshkola.ra. E-mail: info_vshkola@inail.ru
Отдел реализации. (095) 200-07-69, 200-31-47, факс. (095) 200-34-86.
E-mail: sales_vshkola@mail.ra
Отпечатано в ОАО ордена «Знак Почета» «Смоленская областная типография им. В.И. Смирнова». 214000, г. Смоленск, пр-т им. Ю. Гагарина, 2.