Технологичность конструкций. Технологичность конструкций
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ РЕЗАНИЕМ Резание – это обработка металлов со снятием стружки для придания изделию заданных форм и размеров, а также обеспечения определенного конструкцией качества поверхности. На техноло- гичность конструкции детали, подвергаемой обработке резанием, влияют как технические факторы (обрабатываемость материала, выбор баз и размерных связей, форма и размеры детали, требова- ния точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей), так и организационные факторы (серийность производства). Обрабатываемость резанием – способность материала детали поддаваться обработке режущими инструментами. Применительно к задаче обеспечения технологичности конст- рукции детали наибольший интерес представляет определение от- носительного уровня скоростей резания, при котором целесообраз- но производить обработку данного материала, а также возможно- сти получения требуемой шероховатости обработанных поверхно- стей на отделочных операциях. Для деталей, имеющих сложные фасонные поверхности, необходимо также учитывать и силы, за- трачиваемые при обработке резанием. Это определяет степень де- формации как изделия, так и инструмента. Для деталей, подвергае- мых обработке на автоматах, важными критериями обрабатывае- мости являются характер и форма образующейся стружки. Уровень целесообразных скоростей резания оценивается спе- циальным коэффициентом K v , который выражает относительную скорость резания, соответствующую 60-минутной стойкости рез- цов, определенную сравнением с эталонной сталью. В качестве эта- лонной стали принимается сталь 45 ( σ в = 650 МПа, НВ < 179). Таблица 1 иллюстрирует связь между уровнем относительных скоростей резания и возможностью и легкостью получения требуе- мой шероховатости поверхности для сталей, условно разделенных по значениям коэффициента K v на пять групп. Эта связь характерна для большинства сталей, а также для ряда других конструкционных материалов (например, чугуна). На рис. 5 приведены графики обрабатываемости основных групп сталей. Стали на графиках в пределах каждой группы распо- ложены в порядке возрастания содержания углерода. 17 Рис. 5. Кривые обрабатываемости основных марок сталей 18 Таблица 1 Возможность получения требуемой шероховатости поверхно- сти в зависимости от обрабатываемости стали Обрабатываемость Стали K v Возможность получения требуемой шероховатости поверхности Высокая 2,1 – 1,5 Очень трудно Хорошая 1,4 – 1,0 Без особых затруднений Удовлетворительная 1,0 – 0,8 Легко или без особых за- труднений Пониженная 0,8 – 0,5 Легко Трудная менее 0,5 Легко При проектировании изделий, обрабатываемых резанием, не- обходимо учитывать также следующие факторы: - обрабатываемость сталей зависит от их состава, т.е. содер- жание углерода и легирующих элементов. С увеличением содер- жания углерода обрабатываемость ухудшается. Одновременно уве- личивается возможность получения более высоких параметров ше- роховатости поверхности, растут усилия резания; - содержание в стали 0,08-0,2 % S улучшает ее обрабатывае- мость. В стали образуется хрупкая составляющая, которая в виде множества субмикроскопических включений нарушает сплошность феррита; - увеличение содержания марганца при 0,35-0,45 % С ведет к повышению прочности стали и снижению ее пластичности, вследствие чего обрабатываемость стали улучшается. Конструкци- онные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием, например, содержат 0,6-1 % Mn; - содержание до 0,2 % Рb снижает обрабатываемость стали, так как субмикроскопические частицы свинца оказывают на инст- румент смазывающее воздействие; - содержание в стали алюминия и кремния снижает ее обра- батываемость и уменьшает возможность получения требуемой ше- роховатости. В сталях образуются А1 2 О 3 и SiO 2 , которые приводят к быстрому изнашиванию обрабатывающего инструмента; - содержание хрома в стали ухудшает ее обрабатываемость, 19 но не настолько, чтобы сделать хромосодержащие стали труднооб- рабатываемыми. В коррозионно-стойких и жаропрочных сталях ухудшение обрабатываемости в основном вызывает не наличие хрома, а содержание в их составе алюминия, кремния, титана; - никель, молибден, ванадий не ухудшают обрабатываемость стали, но при их наличии стали перед обработкой резанием должны быть подвергнуты соответствующей термической обработке; - особое влияние на обрабатываемость сталей оказывает каль- ций, добавляемый в количестве 0,001-0,006 %. Кальций способст- вует образованию в стали определенных оксидных включений, ко- торые в процессе резания откладываются на поверхности режуще- го инструмента в виде легкоплавного слоя и оказывает на него сма- зывающее воздействие. Микролегирование кальцием повышает значение K v в 1,5-3 раза по сравнению с базовой маркой стали, по- лученной без добавления кальция, и позволяет получать стали по- вышенной обрабатываемости. Из сталей повышенной обрабаты- ваемости успешно изготавливают такие детали, как сателлит диф- ференциала, шатуны двигателя, валы коробки перемены передач, шестерню заднего хода, винку карданного вала, червяк рулевого управления. Это свидетельствует о больших возможностях применения сталей повышенной обрабатываемости для улучшения техноло- гичности конструкции деталей. Решающее влияние на значения K v оказывает структура ста- ли, которая может быть получена в результате той или иной терми- ческой обработки. По влиянию на рост интенсивности затупления инструмента структурные составляющие сталей следует распола- гать в последовательности: феррит-точечный перлит-зернистый перлит-пластинчатый перлит-сорбитообразный перлит-сорбит- троостосорбит. Шероховатость поверхности стальных деталей зависит от структуры стали. По влиянию на эту характеристику структурные составляющие сталей располагаются следующим образом: троо- стосорбит-сорбит-пер-лит-феррит. Чем больше содержится в стали свободного перлита феррита, тем больше высота микронеровно- стей, полученных при обработке резанием. Характеристики обрабатываемости некоторых машинострои- тельных материалов приведены ниже. Чугуны. Имеют пониженную по сравнению со сталями обра- 20 батываемость. На обрабатываемость резанием большое влияние оказывает твердость чугуна. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом во всем диапазоне твердости имеет лучшую обрабаты- ваемость, чем серый (при переходе от высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ферритной металлической основой к чу- гуну с перлитной металлической основой обрабатываемость ухуд- шается на 10-15 %). Алюминиевые сплавы. Обладают лучшей по сравнению со сталями обрабатываемостью. На обрабатываемость литейных сплавов влияет содержание кремния, повышенная твердость со- единений которого может отрицательно сказаться на стойкости ин- струмента. Сплавы как литейные, так и деформируемые можно разделить на три группы: высокой обрабатываемости – нестареющие деформируемые сплавы, стареющие деформируемые сплавы в отожженном состоя- нии; удовлетворительной обрабатываемости – состаренные дефор- мируемые сплавы и литейные сплавы с содержанием Si < 0,10 %; пониженной обрабатываемости – литейные сплавы с содержа- нием Si > 0,10 %. Титановые сплавы. Относятся к труднообрабатываемым ма- териалом. Титановые сплавы марок ВТ1-О, ВТ3-1, ВТ5 имеют низ- кую теплопроводность, высокую вязкость, склонность к наклепу, большой коэффициент трения (0,5). Для их обработки применяют инструмент из алмаза, эльбора, твердых сплавов и быстрорежущих сталей. Вследствие повышенной чувствительности этих сплавов к концентраторам напряжений следует избегать применения шлифо- вания, заменяя его по возможности чистовой обработкой (точением или фрезерованием), так как при шлифовании на поверхности ма- териала могут образоваться микроцарапины, являющиеся концен- траторами напряжений. Полимерные материалы. Обработка резанием большинства полимерных материалов (пластмасс) затруднена, так как присущая им прочность вызывает быстрое затупление режущего инструмента. Изделия из полимерных материалов обрабатываются твердосплав- ным или алмазным инструментом. По качеству поверхности и прочности изделия из полимерных материалов, обработанные ре- 21 занием, уступают прессованным или литым. Изделия из полимер- ных материалов – это преимущественно изделия массового произ- водства, где оправдано применение дорогостоящих пресс-форм. Положительной особенностью полимерных материалов является легкость включения в их конструкцию металлической арматуры, что позволяет избежать обработки полимерных материалов резани- ем. 3.1. Общие технологические требования к деталям, обра- батываемых резанием Общим для всех или большинства существующих классов де- талей, обрабатываемых резанием, являются следующие требова- ния: при конструировании следует максимально использовать унифицированные элементы формы деталей (резьбы, выточки, диаметры, модули, размеры шлицев, шпоночных пазов и т. д.). При отсутствии норм на подобные элементы (например, радиусов вы- хода в шпоночных пазах, фрезеруемых дисковой фрезой) их разме- ры следует назначать в соответствии с размерами применяемого стандартного инструмента. Унификация элементов деталей и их размеров создает предпосылки для унификации применяемого при изготовлении деталей режущего и измерительного инструмента, а также необходимого инструмента при их техническом обслужива- нием и ремонте; конструкция детали должна обеспечивать нормальный вход и выход режущего инструмента; при назначении параметров шероховатости обрабатываемой поверхности и точности изготовления следует учитывать, что пря- мой зависимости между полем допуска и параметров шероховато- сти нет, однако примерные соотношения между ними могут быть установлены (табл. 2). Рекомендации табл. 2 приведены для случая, когда отклоне- ния формы и расположения поверхностей допускаются в пределах поля допусков размера и особо не оговариваются. Для случаев, ко- гда допуски на отклонение от геометрической формы оговарива- ются особо, данные табл. 2 следует корректировать. Если эти до- пуски составляют 50 % и более допуска на размер, параметры ше- роховатости, приведенные в табл. 2, следует уменьшать. 22 Во всех случаях необходимо рекомендации табл. 2 соотносить с характеристиками обрабатываемости материала изделия. В со- временных условиях организации производства конструкция дета- лей должна отвечать требованиям обработки на станках с ЧПУ и с применением роботов, обработки в непрерывном автоматическом режиме, обработки заготовок с применением быстросменных груп- повых наладок, а также изготовления в условиях гибкого автомати- зированного производства (ГАП). В этом случае критериями тех- нологичности могут выступать технические параметры средств технологического оснащения (назначение, тип заготовки, точность обработки, шероховатость обрабатываемых поверхностей и др.), а также форма организации обработки резанием. Например, габаритные размеры деталей и точность их обра- ботки следует ограничивать возможностями станков с ЧПУ и ста- ночного робота. Современные участки ГАП обработки резанием оснащаются робототехническими комплексами (РТК), состоящими, как правило, из токарного станка, станочного робота, приемно-передающего устройства транспортирующего тару из зоны действия транспорт- ной магистрали в зону действия робота. Эрготические возможности РТК определяются его моделью, системой ЧПУ станка и компо- новкой робота. При конструировании детали необходимо учитывать техниче- ские характеристики (параметры) средств технологического осна- щения по их основным параметрам. Для станков с ЧПУ к таким па- раметрам могут быть отнесены следующие: тип режима заготовки; диапазоны длин и диаметров обрабатываемых заготовок; возмож- ность обработки в центрах; точность обработки; размеры наруж- ных и внутренних поверхностей; допуски на радиальное и торцовое биение; отклонение от соосности; параметры шероховатости обра- батываемой поверхностей; система ЧПУ; вид интерполяции; число устанавливаемых инструментов; система отсчета; число управляе- мых координат, в том числе одновременно. 3.1.1. Нанесение размеров на чертежах В целях облегчения подготовки управляющей программы для станков с ЧПУ простановка размеров на чертежах детали должна удовлетворять требованиям программирования и исключать необ- ходимость их пересчета при подготовке программы. Простановка 23 Таблица 2 Соотношения между полями допусков предпочтительного применения и параметрами шероховатости поверхности Поля до- пуска Параметры шероховатости (мкм) для поверхно- стей с номинальными размерами К в ал и те т Вал От- верс- тие До 18 Св. 18 до 30 Св. 30 до 50 Св. 50 до 80 Св. 80 до 120 Св. 120 до 180 Св. 180 до 250 Св. 250 до 315 Св. 315 до 400 Св. 400 до 450 g6 h6 js6 R6 n6 p6 Ra 1,25 r6 6 s6 H7 Js7 Ra 2,5 K7 N7 P7 R a 0 ,6 3 f7 7 h7 F8 H8 e8 8 h8 Rz 20 E9 H9 d9 9 h9 H11 d11 Rz 40 10 h11 24 размеров должна производиться в прямоугольной системе коорди- натных осей детали по возможности должно совпадать с осями ко- ординат от единой конструктивной базы детали. Направление коор- динатных осей детали по возможности должна совпадать с осями координатной системы станка. Не допускаются указания об обра- ботке детали резанием по размерам сопряженной с ней детали или по сборочному чертежу. Симметричные детали (левые и правые, верхние и нижние и др.) следует выполнять по возможности без нарушения симметрии по форме и расположению обрабатываемых поверхностей. Это упрощает составление программы обработки их на станках с ЧПУ. 3.1.2. Форма и конструктивные элементы детали Необходимо упрощать геометрическое очертание детали и ти- пизировать ее основные повторяющиеся конструктивные элементы. При проектировании поверхности детали необходимо исходить из того, что управляющая программа должна соответствовать контур- ной системе с линейно-круговым интерполятором, где нет необхо- димости дополнительного математического описания поверхности. 3.1.3. Поверхности захвата В конструкции детали необходимо предусматривать возмож- ность захвата ее роботом для установки на станок и снятия с него. Форма поверхности захвата должна соответствовать используемым типам захватов. Расположение поверхности захвата должно обес- печивать доступность захвата детали и извлечение ее из ориенти- рованной тары (кассеты, палеты или призмы). Поверхность захвата должна обладать достаточной жесткостью, предотвращающей по- явление в детали остаточных деформаций после захвата ее роботом. Необходимо также учитывать ограниченный диапазон хода меха- нических захватов. Точку приложения захватов следует выбрать в зависимости от конфигурации и массы заготовки так, чтобы центр тяжести заготов- ки был расположен как можно ближе к захватам. 3.2. Технологические требования и конструкции типовых деталей Ниже приведены наиболее существенные технологические 25 требования, предъявляемые к деталям распространенных типов. 3.2.1. Корпусные детали К конструктивному исполнению деталей этого типа предъяв- ляют следующие технологические требования: - нерабочие поверхности независимо от способа получения заготовки должны везде, где это возможно, изготовляться без при- менения обработки резанием. Особенно существенно это требова- ние для отливок. Если большая протяженность поверхности долж- на обрабатываться резанием, следует прерывать обработанные участки необработанными; - двигатели должны иметь надежные базы, обеспечивающие правильную ориентацию и требуемую жесткость при обработке. Для исключения деформаций заготовки при ее закреплении и об- работке необходимо в ее конструкции предусматривать ребра же- сткости. При отсутствии надежных баз в конструкции детали необ- ходимо выполнять приливы (рис. 6). Желательно, чтобы эти прили- вы не удалялись с детали после ее обработки; - для деталей, подвергаемых групповой обработке большим числом однолезвийных инструментов, а также на агрегатных стан- ках и автоматических линиях простановка размеров должна вы- полняться с учетом необходимости назначения единой технологи- ческой (настроечной) базы; - поверхности, подлежащие обработке резанием и находящие- ся с одной стороны детали, следует располагать так, чтобы можно было производить обработку на проход (рис. 7). Расположение об- рабатываемых поверхностей наклонно относительно основных осей детали нежелательно, так как усложняет ее обработку; - необходимо четко разграничивать обрабатываемые и необ- рабатываемые поверхности. Если на детали рядом располагаются две поверхности разной высоты, то разность их высот должна быть больше припуска на обработку данных поверхностей (рис. 8), при этом нужно учитывать также допускаемые отклонения формы и расположения поверхностей; - следует избегать отверстий глубиной L > (8-10)d, особенно если обрабатываемой детали нельзя сообщить вращение при обра- ботке. Вращением детали при обработке относительно оси обраба- тываемого отверстия можно повысить прямолинейность оси отвер- стия, поэтому особо точные отверстия должны быть сквозными. 26 Соосные цилиндрические отверстия следует выполнять убываю- щими по диаметрам в одном направлении, а если это невозможно, убывающими с обеих сторон детали к ее средней части; - размеры и расположение отверстий на корпусной детали должны допускать ее многошпиндельную обработку, для чего рас- стояние между осями отверстий следует выполнять не менее 30- 45 мм; Рис. 6. Введение прилива для улучшения технологии Рис. 7. Детали, допускающие (а) и не допускающие (б) обработку за один рабочий ход А-прилив 27 Рис. 8. Детали с четко (а) и не четко (б) ограниченными обрабатываемыми поверхностями - подрезка внутренних торцевых поверхностей нежелательна, но если она необходима, следует обеспечить свободный доступ ре- жущего инструмента к месту обработки. Если расточка кольцевых канавок в отверстиях стенок корпусов требует сложного инструмен- та и очень трудоемка, необходимо принять специальные втулки с канавками, которые запрессовываются в отверстие корпуса. |