Определение вида исходной заготовки

Основными факторами, влияющими на выбор вида исходной заготовки, являются:

- технологические свойства материала детали (литейные свойства, пластичность, свариваемость и т.п.);

- конструктивные формы и размеры детали;

- тип производства;

- производственные возможности заготовительных цехов (наличие оборудования, оснастки);

- требования безопасности жизнедеятельности и экологии.

Основными видами заготовок, применяемых в машиностроительной практике, являются:

а) получаемые литьем (отливки);

б) получаемые обработкой давлением (кованые и штампованные заготовки, гнутые профили);

в) получаемые резкой проката;

г) получаемые методами порошковой и гранульной металлургии (порошковые изделия);

д) получаемые комбинированными методами (комбинированные и сварные заготовки);

е) получаемые специализированными методами из композиционных материалов (композитные заготовки и полуфабрикаты).

Отливки следует применять, если рабочим чертежом детали предусмотрено ее изготовление из чугуна, литейных марок сталей, цветных литейных сплавов и других марок материала, характеризующихся хорошими литейными свойствами.

Заготовки, получаемые обработкой давлением, применяют в тех случаях, когда материалом детали является конструкционная сталь, пластичные марки алюминиевых сплавов, титановые сплавы и другие деформируемые материалы. Дополнительными факторами, определяющими выбор заготовок такого вида, являются также сложность конфигурации детали и тип производства. В частности, их не следует использовать для заготовок простой формы, и в условиях единичного производства. В таких случаях заготовку следует получать резкой сортового проката.

Детали, получаемые методами порошковой металлургии из железа, меди, титана, графита и других элементов, их смесей и порошков различных сплавов, эффективно заменяют детали из компактных цветных и черных сплавов. Способы порошковой металлургии позволяют получать продукцию в виде полностью готовых деталей, а также в виде заготовок, требующих незначительной механической обработки. В качестве ограничений при выборе заготовок такого вида являются: сравнительная простота форм деталей, небольшие размеры и масса прессуемых деталей, экономические ограничения. Наиболее характерными порошковыми деталями являются втулки, шайбы, кольца, шестерни, вкладыши, храповики, рычаги, кулачки и другие детали простой формы при небольшой их массе. Изготовление порошковых деталей экономически оправдывается при объеме выпуска: для деталей простых форм - 100 000 шт., средней сложности -25 000 штук и сложной формы - 5 000 шт.

Подробные сведения о заготовках различных видов приведены в [3, 4].

Выбор метода изготовления исходной заготовки

Выбор метода изготовления исходной заготовки определяется следующими факторами:

1) типом производства (в массовом производстве наиболее выгодны способы, которые обеспечивают наибольшее приближение формы и размеров заготовки к форме и размерам детали: точная штамповка, литье под давлением и т.п.);

2) конструктивными формами, размерами и массой детали (чем больше деталь, тем дороже обходится изготовление металлических форм, моделей, штампов и т.п.);

3) требуемой точностью выполнения заготовки и качеством ее поверхности (шероховатость поверхности, остаточные напряжения и т.п.; данный фактор действует в тех случаях, когда требуется обеспечить требуемое качество поверхностей детали, не подвергаемых механической обработке).

При выборе метода изготовления исходной заготовки следует руководствоваться технологическими характеристиками существующих методов.

Отливки получают двумя принципиально различными методами:

а) в разовые формы, когда форма используется один раз и после получения отливки разрушается (литье в песчаные формы, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы и т.п.);

б) в постоянные формы, когда форма используется многократно (литье в кокиль, под давлением, центробежное, вакуумное).

Литье в песчаные формы обладает многими ценными качествами: универсальностью, простотой изготовления, дешевизной, податливостью, газопроницаемостью и др., которые недостижимы при использовании постоянных форм. Однако условия труда литейщиков при использовании разовых песчаных форм остаются крайне тяжелыми, а трудоемкость изготовления отливок в 2—50 раз выше, чем при получении литья в постоянные формы.

Литье в металлические формы получило широкое применение, так как при этом достигается повышенная точность размеров, снижается шероховатость поверхности, улучшается качество отливок, устраняется необходимость приготовления формовочной, а часто и стержневой смесей, появляется возможность многоразового применения форм. Однако высокая стоимость металлических форм и возможность образования отбела в отливках из черных сплавов является недостатком этого способа литья.

Центробежный способ литья, применяемый в основном для получения отливок типа тел вращения, характеризуется большой производительностью и качеством отливок, высоким коэффициентом использования металла, малыми припусками на обработку резанием. При этом способе увеличивается плотность металла отливки, представляется возможным отливать детали из металлов и неметаллических материалов с низкой жидкотекучестью, отпадает необходимость в формовочных и стержневых смесях, резко снижается себестоимость заготовок. Недостатками способа являются невозможность получения отверстий точного размера, возможность образования отбела в чугунных отливках, трудность получения качественных отливок из сплавов, склонных к ликвации.

Литье под давлением, характеризующееся повышенной точностью и качеством поверхности отливок, применяется в массовом и серийном производстве заготовок из цветных сплавов. Толщина стенок заготовки не должна превышать 6 мм, в противном случае возможно увеличение пористости материала заготовки.

Литье в оболочковые формы позволяет получать заготовки, имеющие конфигурацию и размеры, соответствующие готовой детали, поэтому этим методом изготавливают детали из жаростойких и труднообрабатываемых материалов. Способ высокопроизводительный, легко автоматизируется, но сравнительно дорог.

Литье по выплавляемым моделям применяется получения заготовок для мелких деталей сложной конфигурации, преимущественно из стали. При этом объем механической обработки резко снижается.

При электрошлаковом литье механические свойства материала отливки не уступают соответствующим свойствам деформируемых сплавов, структура характеризуется большой плотностью, стабильностью и изотропностью свойств. Метод применяется для изготовления деталей ответственного назначения - сосудов, работающих под давлением, цилиндров, коленчатых валов и др. Недостатком способа является высокая стоимость отливок, особенно при производстве отливок небольшой массы.

Характеристики некоторых методов получения отливок приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Характеристики методов получения отливок

Метод получения	Масса заготовок, т	Точность выполнения, квалитет	Шероховатость Rz, мкм	Материал	Производство
Разовые формы
Литье в песчано-глинистые формы:
Ручная формовка по деревянным моделям	До 100		80...20	чугун, сталь, специальные сплавы	единичное и мелкосерийное
Машинная формовка	До 10	16...17	20...5	серийное
Машинная формовка по металлическим моделям	3...5	14...16	20....5	крупносерийное и массовое
Литье по выплавляемым моделям	До 0,15	11...12	10...2,5	трудно-обраба-тывае-мые сплавы	серийное
Литье в оболочковые формы: (песчано-смоляные, химически твердеющие)	До 0.15	13... 14	10...2.5	чугун, сталь, цветные сплавы	серийное и массовое
Многократные формы
Центробежное литье	0.01...1	12... 14	40...10	чугун, сталь, цветные сплавы	крупносерийное и массовое

 

Продолжение таблицы 5.1

Литье пол давлением	До 0.1	8...12	5,0...0,63	цветные сплавы	крупносерийное и массовое
Литье в кокиль	7(чугун) 4 (сталь) 0,5 (цветные сплавы)	12...15	20...2,5	чугун, сталь, цветные сплавы	серийное и массовое
Примечание – В таблице приведена ориентировочная точность отливок, точные значения допусков определяются по ГОСТ 26645-85^*

 

Из всего многообразия заготовок, получаемых обработкой давлением, чаще всего в машиностроении используются кованые и штампованные заготовки. Ковка - обработка металлов давлением путем местного многократного приложения деформирующих усилий с помощью универсального кузнечного инструмента. Ковкой получают разнообразные по форме и размерам машиностроительные заготовки массой до 300 т. Заготовка, полученная ковкой, называется поковкой. Штамповка - обработка металлов давлением при помощи специального инструмента - штампа, рабочая полость (ручей) которого определяет конфигурацию и размеры получаемой заготовки. Заготовка, полученная штамповкой, называется штампованной поковкой или штампованной заготовкой.

Ковка применяется в единичном и мелкосерийном производстве для получения поковок различных форм и размеров из черных и реже цветных металлов и сплавов. Поковки обычно получают на ковочных молотах и гидравлических ковочных прессах. Такие заготовки имеют большие припуски на последующую механическую обработку резанием. В мелкосерийном производстве при изготовлении заготовок применяют подкладные штампы, позволяющие уменьшить припуски и приблизить форму заготовки к форме детали.

Объемная штамповка является современным высокопроизводительным и относительно дешевым процессом изготовления заготовок, широко распространенным в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. Процесс штамповки заключается в принудительном перераспределении материала заготовки без нарушения его сплошности. В качестве первичной заготовки для штамповки применяют слитки массой до 350 т, сортовой (круглый, квадратный), профильный и листовой прокат. Заготовку помещают в полость штампа, называемую ручьем. Затем под действием рабочих частей штамповочного оборудования, на котором установлен штамп, материал заготовки, деформируясь, заполняет ручей, а заготовка принимает требуемую форму. Объемной штамповкой получают поковки разнообразной формы из различных материалов массой от нескольких граммов до одной тонны.

Различают два основных вида штампов в зависимости от вида ручьев – открытые (облойные) и закрытые (безоблойные). У открытых штампов зазор между верхней и нижней частями штампа является переменным и уменьшающимся в процессе деформирования заготовки. В плоскости смыкания частей (разъема) образуется облой. У закрытых ручьев деформирование заготовки происходит в замкнутом ручье, исключая образование облоя в плоскости разъема штампа. По виду крепления штампы делятся на подкладные (без крепления) и фиксируемые (закрепленные). Открытые и закрытые штампы могут быть одно- или многоручьевыми.

Подкладные штампы просты по устройству, относительно дешевы. Они состоят из верхней матрицы, нижней матрицы и вспомогательных элементов, необходимых для транспортировки штампов. Такие штампы применяются для изготовления крупных и единичных поковок на молотах.

Открытые штампы более сложны по конструкции, применяются для серийного и массового изготовления поковок на молотах и прессах. Кроме матриц они имеют выталкиватели, направляющие колонки и другие части. Одна или обе матрицы имеют облойную канавку, называемую накопителем (магазином).

Закрытые штампы применяются для изготовления точных заготовок на прессах, молотах, горизонтально-ковочных и др. машинах. Сущность процесса штамповки в закрытых штампах состоит в том, что заготовка деформируется, находясь в полости одной части штампа (матрицы), в которую входит как в направляющую другая его часть (пуансон). Полученная поковка удаляется из ручья выталкивателем. При штамповке в закрытых штампах колебания объема заготовок должны быть незначительными, таккак при штамповке облой не предусматривается. Штамповка в закрытых штампах более рациональна, так как обеспечивает высокий коэффициент использования материала, более высокую точность и качество поковок.

Характеристики некоторых методов получения поковок приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Характеристики методов получения поковок

Метод получения	Масса заготовок, т	Точность выполнения, квалитет	Шероховатость Rz, мкм	Тип производства
Ковка на молотах и прессах		17…18	160…320	Единичное
Ковка на молотах и прессах в подкладных штампах	0,1	16…18	160…320	Единичное
Ковка на радиально-обжимных машинах (горячая и холодная)	Максимальный диаметр прутка (трубы) около 100мм	0,01-0,4 мм (холодная), 0,1-0,6 мм (горячая ковка)	0,32…0,63 (Ra)	Серийное
Штамповка на молотах и прессах	0,2	16…18	160…320	Мелкосерийное, серийное
Штамповка с последующей чеканкой	0,1	0,05-0,1 мм	10…40	Мелкосерийное, серийное
Штамповка (высадка) на горизонтально-ковочных машинах	0,1	17…18	160…320	Мелкосерийное, серийное
Штамповка выдавливанием	Диаметр до 200 мм	0,2-0,5 мм	80…320	Мелкосерийное, серийное

 

Продолжение таблицы 5.2

Штамповка на калибровочных кривошипных прессах	0,1	На 25-30 % выше, чем при штамповке на молотах	80…320	Мелкосерийное, серийное
Холодная высадка на автоматах	Максимальный диаметр 30мм	14…17	1,2...2,5 (Ra)	Мелкосерийное, серийное
Примечания 1 В таблице приведена ориентировочная точность поковок, точные значения допусков определяются: для поковок на молотах по ГОСТ 7829-70; для поковок на прессах по ГОСТ 7062-90; для стальных штампованных поковок по ГОСТ 7505-89.
2 Данные относятся к поковкам из углеродистых и легированных сталей

 

Исходные заготовки из проката применяют для деталей простой конфигурации в условиях единичного и мелкосерийного производства. Различные виды проката и область их применения приведены в таблице 5.3.

 

Таблица 5.3 – Виды проката и область их применения

Вид проката	Стандарт	Область применения
Сортовой
Круглый горячекатаный повышенной и нормальной точности	2590-88	Гладкие и ступенчатые валы с небольшим перепадом диаметров ступеней, стаканы диаметром до 50 мм, втулки с наружным диаметром до 25 мм.
Круглый калиброванный	7415-86	Крепеж
Горячекатаный Квадратный и полосовой	2591-88 103-76	Крепеж, небольшие детали типа рычагов, тяг, планок и клиньев
Квадратный и шестигранный	8559-75 8560-78

 

Продолжение таблицы 5.3

Листовой
Толстолистовой горячекатаный	19903-74	Фланцы, кольца плоские детали различной формы; цилиндрические полые заготовки типа втулок и валов
Тонколистовой горячекатаный и холоднокатаный	19904-90
Трубы
Стальные бесшовные горячекатаные и холоднокатаные	8732-78 8734-75	Цилиндры, втулки, гильзы, шпиндели, стаканы, барабаны, ролики, валы

 

Получение штучных заготовок производят резкой проката. Методы резки проката, их точность и область применения приведены в таблице 5.4.

 

Таблица 5.4 – Методы резки проката и их точность

Метод резки проката	Точность резки, мм	Область применения
Газовая резка
Ацетилено-кислородная	При ручной резке от ± 4 до ±10; при машинной - от ± 1 до ±2	Резка заготовок различной конфигурации из листового проката толщиной до 200 мм
Кислородная	Резка заготовок различной конфигурации из листового проката толщиной 100 мм, профильного проката, труб (с наружным диаметром от 150 до 300 мм и толщиной стенок до 16 мм), листового проката с одновременной подготовкой Х- или U-образных кромок
Кислородно-флюсовая	Резка заготовок из проката, выполненного из хромоникелевых и коррозионно-стойких сталей (толщиной до 450 мм), чугуна, цветных металлов и сплавов

Продолжение таблицы 5.4

Плазменно-дуговая	От ±1 до ±6	Резка заготовок из проката толщиной до 100 мм, выполненного из низкоуглеродистых, легированных сталей и цветных металлов
Резка на ножницах
На пресс-ножницах с прямыми и фасонными ножами	От ±1 до ±6	Резка листового и полосового проката толщиной до 25 мм, квадратного и круглого проката диаметром до 200 мм, углового проката
На гильотинных	От ±0,25до ±3	Резка листового и полосового проката толщиной до 20 мм и шириной до1500 мм
На дисковых с параллельными осями	От ±0,25 до ±0,6	Резка листового проката толщиной до 20 мм шириной до 300 мм
На дисковых с наклонными осями	От ± 0,4 до±1	Резка листового проката толщиной 6 ~ 8 мм для заготовок с контурами, очерченными кривыми и прямыми линиями. Наименьший радиус составляет от 0,4 до 0,7 диаметра дискового ножа
На многодисковых с параллельными осями	до ±0,25	Одновременная резка широкой ленты (до 1500 мм) на узкие и листов на полосы. Толщина проката от 0,5 до 4 мм
Вибрационных	От ±0,25	Резка листового проката для заготовок малым радиусом кривизны
Разрезка на механических и гидравлических прессах	От ±2 до ±4	Разрезка в штампах проката диаметром до 30 мм

 

Продолжение таблицы 5.4

Резка на пилах и ножовках
На дисковых	От ±0,4 до +3	Резка круглого проката больших сечений
На ленточных	От ±1,5 до ±5	Резка проката любого профиля из стали* цветных металлов диаметром до 250. Ширина реза от 0,8 до 1,3 мм
На приводных ножовках	От ±2 до ±4,5	Резка круглого и профильного проката диаметром до 300 мм. Ширина реза от 1 до 3,5 мм
На фрикционных и электрофрикционных ножовках	От ±1,6 до ±5
Отрезка на отрезных станках и установках
На фрезерно-отрезных	От ±2,5 до ±4,5	Отрезка круглого и профильного проката диаметром до 500 мм на универсальных станках и диаметром до 800 мм на специальных
На токарно-отрезных	От ±0,3 до ±0,8	Отрезка прутков и труб диаметром до 80 мм
На горизонтально-фрезерных	От ±0,4 до ±0,7	Отрезка проката размером до 60 мм
На абразивно-отрезных	От ±0,3 до ±0,7	Отрезка проката с высокой твердостью Применяют абразивные круги диаметром от 30 до 500 мм и толщиной от 0,5 до 4 мм и алмазные круги диаметром от 50 до 320 мм и толщиной от 0,15 до 2 мм
На анодно-механических	От ± 0,15 до ±0,3	Отрезка проката с высокой твердостью диаметром от 200 до 250 мм. При применении вместо дисков стальной ленты толщиной от 1 до 2 мм и шириной от 15 до 20 мм или стальной проволоки от 2 до 2,5 мм можно осуществлять фигурную вырезку заготовок

 

Продолжение таблицы 5.4

На электроэрозионных	Черновая: от ±0,5 до ±2; чистовая: от ±0,03 до ±0,2	Отрезка круглого проката и труб, выполненных из стальных и твердосплавных материалов. При применении латунной проволоки диаметром от 0,05 до 0,3 мм можно осуществлять фигурную вырезку
На электронно-лучевых	От ±0,01 до ±0,05	Фигурная отрезка небольших заготовок из металлов, полупроводниковых и изоляционных материалов.
На лазерных	От ±0,001 до ±0,05	Фигурная отрезка заготовок из любых материалов.

 

Сварные конструкции по сравнению с литыми и коваными имеют на 30 - 60 % меньшую массу, малую трудоемкость изготовления, более высокие физико-механические характеристики, позволяют уменьшить объем механической обработки. Сварные заготовки и узлы изготовляют из проката (листы, трубы, профили), а также из литых, кованых и штампованных элементов. Сварные заготовки состоят из отдельных частей (элементов), выполненных с применением различных материалов и соединенных с помощью методов сварки. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (коробление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой. Материалы составных элементов сварных конструкций должны обладать свариваемостью - способностью к образованию сварного соединения, равнопрочного с основным металлом, без трещин и снижения пластичности. При использовании сварных заготовок возможно применение различных материалов, так ответственные поверхности детали могут быть выполнены из легированных сталей. Для уменьшения коробления заготовок из-за перераспределения внутренних напряжений механическую обработку производят после термической обработки – высокого отпуска, производимого при температуре от 550 °С до 680 °С.