Взаимосвязь между свойствами материалов и методами изготовления деталей

	Взаимосвязь, обусловленная зависимостью
Свойства материалов	Литье	Обработка давлением	Обработка резанием	Тепловое воздействие	Литье	Обработка давлением	Обработка резанием	Тепловое воздействие
Первичные: Химический состав: (содержание элементов) Структурное строение: размер зерна характер расположения зерен	- + +	- + +	- - -	- - -	+ + +	+ + +	+ + +	- - -
Вторичные: Механические: временное сопротивление предел пропорциональности предел текучести относительное удлинение ударная вязкость твердость Физические: удельный вес температура плавления температура кристаллизации температура рекристаллизации теплопроводность Технологические: жидкотекучесть пластичность обрабатываемость резанием	+ + + + + + - - - - - - - -	+ + + + + + - - - - - - - -	- - - - - - - - - - - - - -	- - - - - - - - - - - - - -	- - - - - - + + + + + + - -	+ + + + + + - + + + + - + -	+ + + - - + - + - - + - - +	- - - - - - - + - - - - - -

Обозначения: - конструктивно-технологические параметры; - энергетические параметры; - свойства материала.

Таблица 2

Соотношение между полями допусков предпочтительного

применения и параметрами шероховатости поверхности

Применительно к задаче обеспечения технологичности конструкции детали наибольший интерес представляет определение относительного уровня скоростей резания, при котором целесообразно производить обработку данного материала, а также возможности получения требуемой шероховатости обработанных поверхностей на отделочных операциях. При проектировании изделий следует учитывать, что обрабатываемость сталей зависит от их состава и исходной структуры. Так, чем больше в стали содержится свободного феррита, тем больше будет высота микронеровностей при обработке резанием. Для деталей, имеющих сложные фасонные поверхности, необходимо также учитывать и силы, затрачиваемые при обработке резанием. Это определяет степень деформации как изделия, так и инструмента. Для деталей, подвергаемых обработке на автоматах, важными критериями обрабатываемости являются характер и форма образующейся стружки.

В зависимости от используемых средств различают инженерно-визуальные и инженерно-расчетные методы оценки ТКИ, которые представляют в виде качественной и количественной характеристик.

4.2. Качественная оценка ТКИ.

Качественная оценка ТКИ основана на инженерно- визуальных методах оценки и проводится по отдельным конструктивным и технологическим признакам. Она, как правило, предшествует количественной оценке, но вполне может быть совместима с ней. Качественная оценка ТКИ представляет собой совокупность приемов, посредством которых разработчик конструкции визуально оценивает конструктивные и технологические признаки изделия.

Поскольку отработку конструкции детали на технологичность осуществляют комплексно с целью максимального применения типовых и стандартных технологических процессов ее изготовления, то для каждого вида механической обработки существуют свои специфические технологические требования к конструкции детали.

4.2.1. Технологические требования к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на станках токарной группы.

При конструировании деталей машин, обрабатываемых на станках токарной группы, необходимо учитывать следующие технологические требования.

Детали, обрабатываемые на станках токарной группы, особенно на автоматах и полуавтоматах, должны содержать наибольшее число поверхностей, имеющих форму тел вращения. Конструкция детали должна быть такой, чтобы ее масса была уравновешена относительно оси вращения. Обработка уравновешенных заготовок исключает влияние дисбаланса масс на точность изготовления поверхностей деталей. При конструировании деталей необходимо использовать нормальный ряд диаметров и длин (ГОСТ 6636-69), что позволяет применять стандартный режущий инструмент. В конструкциях следует избегать применения нежестких валов и втулок (длинных тонких валов и тонкостенных длинных втулок). Жесткая конструкция вала позволяет вести токарную обработку без применения промежуточных опор (люнетов). Жесткая конструкция втулок (стаканов, цилиндров и т.д.) позволяет обрабатывать их в кулачковых патронах, не прибегая к специальным приспособлениям. При обработке нежестких деталей погрешность геометрической формы обработанной поверхности всегда больше, чем при обработке жестких деталей. При выполнении токарных работ большое значение имеет стандартизация и унификация размеров и форм обрабатываемых поверхностей. У ступенчатых валов и отверстий следует делать одинаковые радиусы закруглений r (рис. 3, а). Это позволяет все радиусы закруглений (галтели) выполнить одним галтельным резцом, то есть сокращается перечень требуемого инструмента.

Радиус галтели следует выбирать из нормального ряда радиусов, так как в соответствии с этим рядом установлен и ряд стандартных галтельных резцов.

Конические переходы между ступенями валов и фаски (см. рис. 3, б) надо обрабатывать стандартным режущим инструментом - резцами, у которых главный угол в плане  = 45; 60; 75; 90°. Вследствие постоянства ширины канавок b (см. рис. 3, в) их обрабатывают одним прорезным резцом. Режущий инструмент должен иметь свободный вход и выход (см. рис. 3, г). Это значит, что в начале обработки поверхности режущий инструмент постепенно набирает полную глубину резания, а по окончании обработки может выйти из материала заготовки. Например, при нарезании резьбы на детали следует предусматривать фаску и канавку для входа и выхода резьбонарезного инструмента. Если поверхность заготовки шлифуют, то должны быть фаски и канавки, обеспечивающие вход и выход шлифовального круга и т.д. В отдельных случаях поверхность детали, не сопрягающуюся с поверхностью другой детали, можно не обрабатывать, что сокращает трудоемкость, длительность и стоимость обработки (см. рис. 3, д).

Рис. 3. Примеры рациональных конструкций деталей машин,

обрабатываемых на станках токарной группы

В конструкциях ступенчатых валов желательно избегать больших перепадов диаметров отдельных ступеней (см. рис. 3, е). В таких случаях целесообразно расчленять конструкцию: отдельно изготовить вал с шейкой и отдельно - кольцо. Затем кольцо можно напрессовать на шейку вала, приварить или выполнить механическое крепление. По возможности надо избегать сложных фасонных поверхностей, заменяя их более простыми. При обтачивании сферической поверхности (см. рис. 3, ж) фасонным резцом целесообразно торец детали делать плоским, а между цилиндрической и сферической поверхностями предусматривать переходную шейку. Это упростит фасонный режущий инструмент и повысит точность изготовления поверхностей детали.

Если требуется обеспечить соосность цилиндрических поверхностей ступенчатого отверстия (см. рис. 3, з), то втулку целесообразно выполнять с внутренней выточкой. Это позволяет обе ступени обрабатывать с одной установки заготовки на станке и одним расточным резцом. Поверхность выточки не требует точной обработки. Такая конструкция втулки повышает точность расположения обрабатываемых поверхностей и сокращает длительность обработки.

Обработка глухих отверстий, к которым предъявляют высокие требования по точности и шероховатости поверхности, затруднительна. Предпочтительней применять в конструкциях сквозные отверстия.

Конструкция детали должна обеспечивать свободный доступ режущего инструмента ко всем обрабатываемым поверхностям (см. рис. 3, и). Это относится к таким деталям, как маховики, фланцы, зубчатые колеса и т.п.

Значительные трудности вызывает обработка внутренних торцовых фасонных поверхностей (дно отверстия). Применение вставного дна исключает этот недостаток конструкции (см. рис. 3, к). Конструкцию втулки со ступенчатым отверстием также в ряде случаев целесообразно заменить конструкцией, состоящей из двух втулок, одна из которых запрессовывается в другую. У ступенчатого отверстия необходимо, чтобы диаметры ступеней постепенно уменьшались по длине отверстия (см. рис. 3, л). В этом случае отверстие наименьшего диаметра сверлят сверлом, а остальные ступени растачивают или зенкеруют.

При обработке деталей на многорезцовых полуавтоматах необходимо диаметры ступеней вала располагать по возрастающей степени по его длине (см. рис. 3, м), что упрощает наладку полуавтомата. Длины ступеней вала должны быть равными или кратными длине самой короткой ступени. Это позволяет вести многорезцовую обработку, что значительно сокращает основное (технологическое) время. Ступенчатые валы целесообразно выполнять симметричными относительно середины длины. Это позволяет обрабатывать левую и правую половины вала при одной и той же наладке полуавтомата.

В торцах валов, обрабатываемых на центрах, надо предусматривать центровые технологические отверстия.

В конструкциях деталей следует избегать ребристых поверхностей, так как при их обработке возникает ударная динамическая нагрузка на резец, что снижает качество обработанных поверхностей и может быть причиной возникновения вибраций. Участки вала, имеющие один и тот же размер, но разные посадки (допуски), необходимо разграничивать канавками. Острые грани обрабатываемых поверхностей должны быть притуплены, скруглены или с них должны быть сняты фаски.

4.2.2. Элементы, обрабатываемые строганием и долблением.

При конструировании деталей машин, обрабатываемых на строгальных и долбежных станках, необходимо учитывать следующие технологические требования.

Поверхности деталей, подлежащие обработке, целесообразно оформлять в виде плоскостей или их сочетаний в пространстве. Следует избегать в конструкциях деталей сложных фасонных поверхностей, обработка которых требует изготовления специальных копиров. Обрабатываемые поверхности целесообразно располагать в одной плоскости (А-А) для обработки их за один проход (рис. 4, а).

Рис. 4. Примеры конструкций деталей машин,

обрабатываемых на строгальных станках

Обрабатываемые поверхности должны обеспечивать свободный выход резца в направлении главного движения. Для строгания уступов надо предусматривать разделительные канавки шириной b = 10 – 15 мм для выхода резца при обработке заготовок на поперечно- строгальных станках и b = 30 – 40 мм при обработке на продольно- строгальных станках (рис. 4, б). Поверхности детали, расположенные под углом друг к другу, тоже надо, разделять канавками (рис. 4, в), для повышения точности изготовления этих поверхностей, например, шлифованием.

Конструкция деталей с узкими длинными поверхностями должна обеспечивать строгание их в продольном направлении, так как строгание в поперечном направлении приводит к значительным вибрациям (рис. 4, г). Вибрации могут возникнуть и при строгании поверхностей малой длины, когда при этом назначают большое число двойных ходов резца в минуту. В отдельных крайних случаях допустимо строгание по длине ребристых поверхностей (рис. 4, д). Перед обработкой поверхности необходимо прострогать фаски b х 45° со стороны входа и выхода резца (рис. 4, е). Это обеспечивает более плавное врезание резца в материал заготовки и уменьшает ударную динамическую нагрузку, а при выходе резца предотвращает скалывание материала заготовки. При строгании бортов деталей коробчатой формы необходимо для увеличения прочности и жесткости бортов усиливать их дополнительными внутренними или наружными (рис.4, ж) ребрами жесткости, что исключает их разрушение вследствие ударной динамической нагрузки.

Пазы, обрабатываемые строганием на проход, должны быть открытыми. При строгании Т-образного паза ширина b должна обеспечивать ввод резца (рис. 4, з). В отдельных случаях целесообразно Т-образные пазы выполнять сборными (рис.4, и).

Нежесткие конструкции необходимо усиливать ребрами жесткости, что обеспечивает более высокую точность обработки. В конструкциях деталей следует избегать обработки поверхностей, расположенных в углублениях.

При долблении несквозных шпоночных и шлицевых пазов необходимо предусматривать канавки для выхода долбежного резца (рис. 4, к).

Поверхности, обрабатываемые долблением, должны быть небольшой длины, так как при обработке длинных заготовок необходим большой вылет резца из резцедержателя, что приводит к значительным его деформациям и разрушению.

4.2.3. Элементы обрабатываемые на сверлильных станках.

Отверстия, к которым предъявляют высокие требования по точности изготовления, необходимо выполнять сквозными (рис. 5, а), а не глухими. Форма и размеры дна глухих отверстий должны соответствовать форме и размерам стандартного инструмента (рис. 5, б).

Рис. 5. Примеры конструкций деталей машин,

обрабатываемых на сверлильных станках

У ступенчатого отверстия переходы от одного диаметра к другому лучше делать коническими (рис. 5, в), так как уступы, расположенные под прямым углом к оси детали, значительно усложняют обработку.

Не допускается, чтобы ось сквозного отверстия была под углом к контурным поверхностям детали (см. рис. 5, г), так как в этом случае сломается сверло. Поэтому на поверхностях литых деталей необходимо предусматривать плоскости, перпендикулярные к оси отверстия (см. рис. 5, д), а на заготовках из проката надо фрезеровать уступы (см. рис.5, е). Смазочные отверстия лучше располагать перпендикулярно к поверхности, на которой они должны находиться (см. рис. 5, ж). Наклонное их расположение (см. рис. 5, з) затрудняет обработку.

Глубокие отверстия (см. рис. 5, и) рекомендуется заменять двумя неглубокими (см. рис. 5, к), что обеспечивает их одновременную обработку с двух сторон на агрегатном станке. Рекомендуется использовать ступенчатые отверстия (см. рис. 5, м) вместо двух глухих соосных отверстий (см. рис. 5, л), что исключает необходимость обработки их за две установки и устраняет погрешности, связанные с взаимным расположением отверстий. На заготовках формы тел вращения следует предусматривать сплошную обработку торцовой поверхности фланца (см. рис.5, н) вместо обработки торцовой поверхности каждого отверстия (см. рис.5, о). При проектировании нескольких отверстий их оси не должны скрещиваться (см. рис. 5, п). В конструкции, приведенной на (рис. 5, р), режущие лезвия сверла будут работать в неодинаковых условиях, и отверстия получатся неточными.

4.2.4.Элементы, обрабатываемых на расточных станках.

Отверстия в корпусных деталях следует предусматривать простой формы (рис. 6, а). Глухие глубокие отверстия, а также конические и с выточками (рис. 6, б) трудно обрабатывать.

Детали с несколькими соосными отверстиями целесообразно конструировать так, чтобы их диаметры последовательно уменьшались в одном направлении (рис. 6, в). При этом отверстия можно одновременно растачивать за один проход резцами, установленными на двухопорной оправке.

Если в корпусной заготовке имеются внутренняя стенка или отверстия небольшого диаметра, не позволяющие ввести оправку, то такая конструкция является нетехнологичной (рис.6, г). Расположение торцов следует предусматривать в одной плоскости (рис.6, д), что позволит обрабатывать их за один проход. Наличие уступов в отверстиях и расположение торцовых поверхностей на разных высотах (рис. 6, е) затрудняют обработку. Большое значение имеет свободный доступ ко всем элементам детали при обработке и измерении. В рекомендуемой на рис. 6, ж конструкции за счет увеличения диаметра отверстия Б облегчается доступ режущего инструмента для подрезания торца отверстия А. Конструкция, приведенная на рис. 6, з, является менее технологичной.

Рис. 6. Примеры конструкций деталей машин,

обрабатываемых на расточных станках

Рекомендуется обрабатываемые поверхности располагать параллельно или взаимно перпендикулярно (см. рис. 6, и). Применение наклонных обрабатываемых поверхностей затрудняет изготовление деталей из-за сложности установки их на станке (см. рис. 6, к).

4.2.5. Фрезеруемые элементы конструкции.

Фрезеруемые поверхности на заготовках, лежащие в одной плоскости, желательно располагать на одной высоте. Детали с выступами одинаковой высоты (рис.7, а) можно обрабатывать одной фрезой за один рабочий ход. При фрезеровании деталей с выступами разной высоты (рис. 7, б) приходится опускать и поднимать стол. Пазы и прорези целесообразнее обрабатывать дисковыми фрезами (рис. 7, в), так как обработка ими производительнее, чем концевыми фрезами (рис. 7, г). Радиус паза R должен соответствовать стандартным размерам фрезы.

Рис. 7. Примеры конструкций деталей машин,

обрабатываемых на фрезерных станках

Следует предусматривать открытые пазы (рис. 7, д); их проще изготовить и можно фрезеровать на повышенных режимах резания. При обработке закрытых пазов (рис.7, е) надо предварительно засверливать отверстия для входа фрезы.

Целесообразно изготовлять разрезные втулки с плоскостями разъема, не проходящими через центр отверстия (рис. 7, ж). Ширину прорези следует назначать, ориентируясь на использование стандартных фрез. При конструировании выступов у деталей необходимо устанавливать их высоту с учетом допусков на литье и механическую обработку (рис. 7, з). Недостаточная высота выступа может привести к врезанию фрезы в поверхность, не подлежащую обработке (рис. 7, и).

Конструкция детали должна допускать возможность фрезерования нескольких заготовок одновременно. В этом случае, например, при вынесении уступа на край детали можно фрезеровать паз в двух деталях одновременно (рис.7, к). Менее технологична конструкция, показанная на рис. 7, л. Рекомендуется предусматривать равномерную ширину фрезерования по длине обрабатываемой поверхности (рис. 7, м). Иначе в конструкции, показанной на рис. 7, н, изменение сил резания при фрезеровании приведет к погрешности размера средней части детали.

Размер стороны квадрата должен быть больше диаметра примыкающей шейки валика (рис. 7, о). Сторону квадрата нельзя принимать равной диаметру примыкающей шейки валика (рис. 7, п), так как возможное при фрезеровании смещение квадрата от оси валика исключит возможность его сборки с сопрягаемой деталью.

Следует предусматривать посадочные места под фланцевые подшипники с наружной стороны корпуса, что значительно упрощает фрезерование поверхностей (см. рис. 7, р), фрезеровать внутренние площадки под подшипник крайне неудобно (см. рис. 7, с).

4.2.6. Элементы, обрабатываемые протягиванием.

Обрабатывать протягиванием можно лишь отверстия с достаточно толстыми стенками равномерной толщины. При протягивании отверстий в тонкостенных втулках с буртиками (рис. 8, а) возникают значительное радиальное давление и неравномерная деформация по длине обрабатываемой поверхности, приводящие к искажению формы отверстия. Торец протягиваемой заготовки должен быть перпендикулярен оси отверстия со стороны входа и выхода протяжки (рис. 8, б). Протягивание отверстия в заготовке с наклонным торцом (рис. 8, в) вызывает неравномерную нагрузку на зубья протяжки и ее перекос. Не рекомендуется протягивать отверстия с фасонным сечением: следует максимально упрощать их форму и делать симметричными. Симметричное отверстие (рис. 8, г) более технологично для протягивания.

Рис. 8. Примеры конструкций деталей машин,

обрабатываемых на протяжных станках

Для обработки несимметричного отверстия (рис. 8, д) требуется протяжка сложной конфигурации. Наиболее технологично квадратное (или восьмигранное) фасонное отверстие с неполной поверхностью боковых сторон. При этом отверстие сверлят или растачивают до требуемого диаметра, после чего протягивают углы (рис. 8, е). Конструкция на (рис. 8, ж) менее технологична. Шлицевые отверстия не должны иметь выточек в средней части (рис. 8, з). Наличие в отверстии выточки (рис. 8, и) может привести к поломке зубьев протяжки вследствие неравномерного съема металла по длине отверстия. При подрезании торцов после протягивания шлицев необходимо на торцах отверстия предусматривать фаски (рис. 8, к), обеспечивающие безударную работу резца.

4.2.7. Требования к конструкциям зубчатых колес.

Конфигурацию зубчатого колеса следует создавать из сочетания поверхностей простых геометрических форм. Несимметричное расположение элементов колеса и резкие переходы в конструкции приводят к повышенной деформации зубьев при термической обработке (рис. 9, б). Термическая обработка колеса, показанного на (рис. 9, а), не вызывает значительной деформации его зубьев.

Нарезание зубчатых колес с двусторонней ступицей одновременно на нескольких заготовках (см. рис. 9, в) вследствие не технологичности конструкции приводит к увеличению рабочего хода инструмента. Форма зубчатого колеса, приведенная на (рис. 9, г), дает возможность рационально нарезать колеса «пакетами».

Рис. 9. Примеры технологических форм зубчатых колес

При конструировании многовенцовых колес, а также колес с буртиками расстояние между венцами необходимо увязывать с диаметром фрезы, обеспечивая ей при нарезании колеса свободный выход (рис. 9, д). В конструкции колеса, приведенной на (рис. 9, е), расстояние для выхода фрезы недостаточно. При конструировании зубчатых колес следует также учитывать, что при нарезании блочных колес на зубофрезерных станках расстояние между зубчатыми венцами пришлось бы значительно увеличить для выхода фрезы (см. рис. 9, ж). При нарезании зубчатых колес на зубодолбежном станке расстояние для выхода долбяка может быть значительно уменьшено (см. рис. 9, з).

4.2.8. Требования к шлифуемым элементам конструкции.

При шлифовании ступенчатых валов (рис. 10, а) необходимо предусматривать центровые отверстия 1, а на пустотелых деталях - установочные фаски 6, облегчающие контроль и обеспечивающие лучшую соосность обрабатываемых участков. Между шейками вала и торцами из-за непрерывного осыпания круга образуется галтель 5. В тех случаях, когда этого нельзя допустить по условиям работы детали, предусматривают технологические канавки 2 для выхода шлифовального круга. Если необходимо оставить галтели, то на чертеже детали указывают максимально возможный радиус перехода. Следует избегать конструирования валов с большой разностью диаметров отдельных участков. Точно обработанные, например, цилиндрические поверхности 3 нужно разделять введением проточек 4, поверхности которых можно не шлифовать. На деталях, обрабатываемых в патроне (рис. 10, б), надо предусматривать такие поверхности 7, которые обеспечивают правильную установку и надежное закрепление деталей при обработке. Наиболее надежно закрепление по цилиндрическим поверхностям.

Рис. 10. Форма деталей, обрабатываемых на станках

шлифовальной группы

Поверхности точно обрабатываемых отверстий следует разделять введением выточек. Предпочтительнее жесткие детали. Закрепление в патронах тонкостенных (нежестких) деталей может вызвать большие деформации и снизить точность обработки. Шлифование отверстий малых диаметров связано с трудностями и должно назначаться в исключительных случаях.

Плоские поверхности деталей должны быть расположены перпендикулярно или параллельно (рис. 10, в, поверхность 9) основанию 8, на котором закрепляют заготовку. Шлифуемые поверхности желательно располагать в одной плоскости.

4.2.9. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из металлических порошков.

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования (рис. 11, а, 1). Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования (рис. 11, б, 5), или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. Поэтому в их конструкциях нельзя допускать значительной разностенности (рис. 11, а, 2), которая вызывает коробление и образование трещин. При незначительной разностенности в процессе прессования получают более равномерную плотность по высоте детали (рис. 11, б, 6). Длинные тонкостенные конструкции (рис. 11, а, 3) необходимо заменять на равнозначные по эксплуатационным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали (рис. 11, б, 7). Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения заготовки (рис. 11, б, 8), обратная конусность недопустима (рис. 11,а, 4). Радиусы перехода сопрягающихся поверхностей должны быть не менее 0,2 мм.

Рис. 11. Примеры конструктивного оформления

металлокерамических деталей

4.2.10. Требования к конструкциям из пластмасс.

Конструктивные особенности деталей из пластмасс обусловлены физико-механическими и технологическими свойствами и способами их получения. Прочностные и точностные характеристики пластмассовых деталей во многом зависят от их конструктивного оформления.

При проектировании деталей (особенно изготовляемых литьем под давлением и прессованием) необходимо учитывать следующие основные особенности. Процесс изготовления деталей сопровождается большой усадкой. Поэтому в конструкциях не допускается значительной разностенности, которая вызывает коробление деталей и образование трещин (рис. 12,а, 1 - 3). На рис. 12, б, (7–9) приведены примеры замены нетехнологичных утолщений равностенными конструкциями.

Для термопластичных материалов, получаемых литьем под давлением, толщину стенок рекомендуется выбирать равной 0,5 - 2 мм при разностенности не более 1 : 3 мм. Толщина деталей из термореактивных пластмасс должна составлять 2 - 6 мм.

Для повышения жесткости в конструкциях деталей необходимо вводить ребра жесткости. Толщина ребер жесткости у их основания должна быть равной толщине основной стенки детали (см. рис. 12, б, 7, 12). Для малогабаритных деталей роль ребер жесткости могут выполнять выступы (см. рис. 12, б, 10) или впадины (см. рис. 12, б, 12).

а - нетехнологичные конструкции; б - технологичные конструкции

Рис. 12. Примеры конструктивного оформления

пластмассовых деталей

Правильная конструкция опорной поверхности повышает жесткость всей конструкции, особенно в случае крупных корпусных деталей. С этой целью сплошные поверхности (см. рис. 12, а, 2, 4) необходимо заменять поверхностями с выступающими буртиками (см. рис. 12, б, 8, 10).

Отверстия в деталях оформляются соответствующими стержнями в пресс-формах. Стержни являются основной причиной появления внутренних напряжений в деталях, так как они затрудняют свободную усадку материала. Если возможно, по конструктивным соображениям детали необходимо выполнять с большой конусностью (см. рис. 12, б, 10). Сквозные отверстия лучше располагать не в сплошных массивах (см. рис.12, а, 6), а в специальных бобышках с тонкими стенками (см. рис. 12, б, 12), что снижает усадку и усилие обхвата стержней.

В конструкциях деталей не следует делать острых углов в местах сопряжения поверхностей, так как это может привести к образованию трещин. Минимальные радиусы сопряжений для деталей, получаемых прессованием, назначают 1 - 2 мм, а для получения литьем под давлением - 0,5 - 1,0 мм.

Детали с боковыми выступами (см. рис. 12, а, 5) следует конструировать так, чтобы обеспечить их свободный выем и не делать сложных разборных пресс-форм (см. рис. 12, б, 11).

Прессованием и литьем под давлением получают наружные и внутренние резьбы, не требующие дальнейшей механической обработки. Минимально допустимый диаметр резьбы для деталей из термопластов и пресс-порошков равен 2,5 мм, для волокнистых материалов - 4 мм; минимальный шаг резьбы - 0,5 мм.

Для облегчения извлечения детали из пресс-формы на наружных и внутренних формообразующих поверхностях ее необходимо предусматривать технологические уклоны.

Армирование значительно расширяет область применения пластмассовых деталей. Металлическую арматуру необходимо располагать по центру детали или равномерно, так как в результате усадки материала неизбежно коробление и деформирование ее. Арматуру в виде винтов и гаек (см. рис. 13, а, б) крепят с помощью кольцевых буртиков или канавок. Для предотвращения проворачивания относительно оси вращения на наружных поверхностях арматуры делают рифления или насечку. Мелкую арматуру крепят с помощью боковых вырезов или отверстий (см. рис. 13, в, г).

Рис. 13. Примеры армирования пластмассовых деталей

Проволочную арматуру закрепляют за счет расплющивания или загибания второго конца (см. рис. 13, д). Арматуру следует надежно фиксировать в пресс-форме. Необходимо избегать возможного затекания материала в гнезда для установки арматуры.

4.2.11. Технологические свойства материалов при резании.

При проектировании изделий, обрабатываемых резанием, необходимо учитывать, что обрабатываемость конструкционных материалов существенно зависит от их состава. В частности для сталей с увеличением содержания углерода обрабатываемость ухудшается. Одновременно увеличивается возможность получения более высоких параметров шероховатости поверхности, растут силы резания:

- содержание в стали 0,08 – 0,2 % S улучшает ее обрабатываемость. 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. Конструкционные стали, повышенной и высокой обрабатываемости резанием, например, содержат 0,6 – 1 % Мп;

- содержание до 0,2 % Pb повышает обрабатываемость стали, так как субмикроскопические частицы свинца оказывают на инструмент смазывающее воздействие;

- содержание в стали алюминия и, кремния снижает ее обрабатываемость и уменьшает возможность получения требуемой шероховатости. В сталях образуются Al₂O₃ и SiO₃, которые приводят к быстрому изнашиванию обрабатывающего инструмента;

- содержание хрома в стали ухудшает ее обрабатываемость, но не настолько, чтобы сделать хромосодержащие стали трудно обрабатываемыми. 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 кальций, добавляемый в количестве 0,001 – 0,006 %. Кальций способствует образованию в стали определенных оксидных включений, которые в процессе резания откладываются на поверхности режущего инструмента в виде легкоплавкого слоя и оказывают на него смазывающее воздействие. Микролегирование кальцием повышает обрабатываемость 1,5 – 3 раза по сравнению с базовой маркой стали, полученной без добавления кальция. Из сталей повышенной обрабатываемости успешно изготавливают такие детали, как сателлит дифференциала, шатуны двигателя, валы коробки перемены передач, шестерню заднего хода, вилку карданного вала, червяк рулевого управления. Это свидетельствует о больших возможностях применения сталей повышенной обрабатываемости для улучшения технологичности конструкции деталей.

Решающее влияние на обрабатываемость оказывает структура стали, которая может быть получена в результате той или иной термической обработки. По влиянию на рост интенсивности затупления инструмента структурные составляющие сталей следует располагать 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: троостосорбит – сорбит – перлит – феррит. Чем больше содержится в стали свободного феррита, тем больше высота микронеровностей, полученных при обработке резанием.

Характеристики обрабатываемости некоторых машиностроительных материалов приведены ниже.

Чугуны. Имеют пониженную по сравнению со сталями обрабатываемость. На обрабатываемость резанием большое влияние оказывает твердость чугуна. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом во всем диапазоне твердости имеет лучшую обрабатываемость, чем серый. При переходе от высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ферритной металлической основой к чугуну с перлитной металлической основой обрабатываемость ухудшается на 10 – 15 %.

Алюминиевые сплавы. Обладают лучшей по сравнению со сталями обрабатываемостью. На обрабатываемость литейных сплавов влияют содержание кремния, повышенная твердость соединений которого может отрицательно сказаться на стойкости инструмента.

Сплавы как литейные, так и деформируемые можно разделить на три группы:

1) высокой обрабатываемости – нестареющие деформируемые сплавы, стареющие деформируемые сплавы в отожженном состоянии;

2) удовлетворительной обрабатываемости – состаренные деформируемые сплавы и литейные сплавы с содержанием Si <0,10 %;

3) пониженной обрабатываемости - литейные сплавы с содержанием Si > 0,10 %.

Титановые сплавы. Относятся к труднообрабатываемым материалам. Титановые сплавы марок ВТ1-0, ВТЗ-1, ВТ5 имеют низкую 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 шлифования, заменяя его по возможности чистовой обработкой (точением или фрезерованием), так как при шлифовании на поверхности материала могут образоваться микроцарапины, являющиеся концентраторами 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 твердосплавным или алмазным инструментом. По качеству поверхности и прочности изделия из полимерных материалов, обработанные резанием, уступают прессованным или литым. Изделия из полимерных материалов - это преимущественно изделия массового производства, где оправдано применение дорогостоящих пресс-форм. Положительной особенностью полимерных материалов является легкость включения в их конструкцию металлической арматуры, что позволяет избежать обработки полимерных материалов резанием.

4.3. Количественная оценка ТКИ.

Эта оценка основана на инженерно-расчетных методах и проводится по конструктивно-технологическим признакам, которые существенно влияют на выполнение основных требований к ней. Необходимость количественной оценки ТКИ, а также номенклатура показателей и методика их определения устанавливаются в зависимости от вида изделия, типа производства и стадии разработки конструкторской документации. При этом число показателей должно быть минимальным, но достаточным для оценки технологичности.

Оценке ТКИ предшествует комплекс мероприятий, основанных на стандартизации множества инженерных решений. К таким решениям относятся оптимизация параметрических и размерных рядов изделий как объектов производства и эксплуатации, типизация конструктивных компоновок изделий, классификация изделий и их составных частей по конструктивным и технологическим признакам, группирование однотипных объектов классификации и установление для каждой классификационной группы базовых показателей ТКИ.

Технологичность конструкции не является единичным свойством, оцениваемым каким-либо частным (единичным) показателем, а выражает собой комплекс свойств, формирующих технологичность. Поэтому обобщение частных показателей в один показатель или малое их число и одновременная детализация последних являются важными методическими принципами количественной оценки ТКИ.

При определении комплексных показателей ТКИ используются разнообразные методы. Наиболее простым является метод, позволяющий выражать искомый показатель средним арифметическим значением:

, (4.1)

где - значение n-го частного (группового) показателя;

N – число частных (групповых) показателей, образующих комплексный показатель.

Однако в большинстве случаев исходные показатели неравноценны с точки зрения степени их воздействия на комплексный показатель. В этом случае можно использовать зависимости (математические модели), позволяющие учитывать весомость (значимость, эквивалентность) отдельных исходных показателей вида:

, (4.2)

где - коэффициент весомости n-го частного (группового) показателя, определяемый экспертным или другими методами.

Обычно принимают: . (4.3)

В табл. 3 приведены ориентировочные значения некоторых коэффициентов весомости частных показателей технологичности деталей, полученные в результате обработки статистических данных в области приборостроения и применяемые при определении комплексного показателя ТКИ.

Таблица 3

Коэффициенты весомости некоторых частных

показателей технологичности

№№ пп	Наименование частного показателя технологичности	Обозначение	Весовой коэфф.
1.	Показатель обрабатываемости материала	Ком	0,5
2.	Показатель сложности конструкции детали	Ксл	0,7
3.	Коэффициент точности и шероховатости поверхностей детали	Кпов	0,6
4.	Показатель унификации конструктивных элементов	Куэ	0,7
5.	Показатель использования материала	Ким	1,0

Часто для технико-экономического анализа объекта используют многопараметрические корреляционные модели различных видов (степенные и гиперболические функции, полиномы различных степеней и др.), например, степенную функцию вида

, (4.4)

где - коэффициент эластичности фактора , характеризующий степень влияния n-го единичного (группового) показателя на исследуемый комплексный показатель ТКИ.

Вычисление коэффициентов эластичности производят на основании статистических данных. Вид выбранной математической модели в любом случае должен наиболее полно и точно отражать взаимосвязь частных и групповых показателей и степень их влияния на исследуемые комплексные показатели, а для выбора вида модели и вычисления коэффициентов эластичности должно быть в наличии достаточно статистических данных.

Комплексный показатель технологичности К_т должен быть равен так называемому нормативному показателю технологичности. В табл. 4 приведены некоторые значения нормативных комплексных показателей технологичности деталей, применяемых в области приборостроения.

Таблица 4

Нормативные значения комплексных показателей технологичности

Тела вращения		Прочие детали
прецизионные	не прецизионные	прецизионные	не прецизионные
0,70	0,85	0,65	0,80

Практическое применение расчетных коэффициентов технологичности возможно по двум направлениям:

1) при разработке нового изделия коэффициенты К_т должны превышать базовые значения, которые задаются в руководящих указаниях по конструированию и формируются по результатам расчетов коэффициентов технологичности деталей-аналогов, характерных для оснащения данного предприятия в конкретной отрасли промышленности;

2) при внесении изменений в конструкцию детали, находящейся в производстве, расчетный коэффициент технологичности К_т для детали измененной конструкции должен превышать нормативные значения.

При изготовлении деталей наиболее важными частными показателями технологичности являются показатели технологической рациональности и преемственности конструкции изделия.

Определение частных показателей технологичности деталей производится на основе поэлементного анализа конструкции деталей с учетом принятого способа их изготовления и вида материала.

4.3.1. Показатель обрабатываемости материала (К_ом).

Под обрабатываемостью материалов понимают их способность поддаваться обработке режущими инструментами при оптимальных режимах и условиях резания. Принято считать, что материал обладает хорошей обрабатываемостью, если при резании этого материала износ инструмента, силы резания и шероховатость обработанной поверхности малы. Резание материалов, обладающих хорошей обрабатываемостью, характеризуется легким отделением стружки.

Количественная оценка обрабатываемости затруднена вследствие неоднозначности понятия.

Под стойкостью инструмента понимают промежуток времени, в течении которого износ инструмента достигает критерия износа, численные значения которого для всех возможных условий обработки приводятся в справочной литературе. При достижении инструментом критерия износа резко возрастает сила резания и шероховатость обработанной поверхности. Существует понятийный аппарат, связанный со стандартной стойкостью инструмента, равной, например, 60 минутам. Соответствующая скорость резания обозначается как V₆₀.

Наиболее широко распространена шкала, основанная, на принятии в качестве эталонного материала стали 45 ( = 650 МПа, НВ 179). Тогда обрабатываемость любого материала может быть выражена через коэффициент относительной обрабатываемости , который выражает относительную скорость резания, соответствующую 60-минутной стойкости резцов в сравнении с эталонной сталью. Он позволяет укрупнено оценивать обрабатываемость того или иного материала, не принимая во внимание особенности, связанные с применением различных инструментальных материалов, а также с возможной необходимостью обеспечения различной шероховатости обработанной поверхности. На рис. 14 приведены графики обрабатываемости основных групп сталей. Стали на графиках в пределах каждой группы расположены в порядке возрастания содержания углерода.

Табл. 5 иллюстрирует связь между уровнем относительных скоростей резания и возможностью и легкостью получения требуемой шероховатости поверхности для сталей, условно разделенных по значениям коэффициента на пять групп.

Таблица 5

Возможность получения требуемой шероховатости поверхности

в зависимости от обрабатываемой стали

Обрабатываемость стали		Возможность получения требуемой шероховатости поверхности
Высокая Хорошая Удовлетворительная Пониженная Трудная	2,1 – 1,5 1,4 – 1,0 1,0 – 0,8 0,8 – 0,5 Менее 0,5	Очень трудно Без особых затруднений Легко или без особых затруднений Легко Легко

Рис. 14. Кривые обрабатываемости основных марок сталей

4.3.2. Показатель сложности конструкции детали.

Увеличение себестоимости детали, получаемой методами обработки резанием, вследствие удлинения технологического процесса ее изготовления учитывается показателем сложности конструкции детали, определяемым в виде

К_сл=0,25*(К_к+К_р+К_в+К_с), (4.5)

где К_к, К_р, К_в, К_с - коэффициенты, определяемые как К_i=1-A_i, причем А_i - уточнения.

Коэффициент К_к зависит от количества поверхностей на исходной заготовке, с которых удаляется стружка при изготовлении детали. Комбинированные поверхности, образуемые за один рабочий ход одним инструментом, могут быть учтены в качестве одной поверхности.

Коэффициент К_р учитывает общее количество заданных на чертеже данных по обеспечению требуемых точностей формы и взаимного расположения поверхностей в пределах 0,05 мм.

Коэффициент К_в учитывает количество различных видов обработки резанием (технологических операторов).

Коэффициент К_с учитывает соответствия точности и шероховатости поверхностей детали некоторым оптимальным величинам, под которыми подразумеваются рекомендуемые в качестве экономичности и конструктивно обоснованные величины. Величина А, входящая в выражение, для этого коэффициента определяется по формуле

, (4.6)

где N - общее количество обрабатываемых резанием поверхностей детали;

m_j - количество зон, на которое параметр Ra для j-ой поверхности отстоит от оптимального сочетания.

4.3.3. Коэффициент точности и шероховатости поверхности детали (К_пов).

В наибольшей степени необходимость применения метода обработки резанием очевидна при изготовлении деталей, конструкция которых предусматривает наличие одной - двух поверхностей, имеющих высокие требования по точности и шероховатости. Такие детали называются прецизионными. Степень возрастания трудоемкости изготовления деталей за счет обработки прецизионных поверхностей, а, следовательно, снижения технологичности конструкции, учитывается коэффициентом точности и шероховатости поверхности К_пов.

4.3.4. Показатель унификации элементов (К_уэ).

Обрабатываемые элементы поверхности детали считаются унифицированными, если для их изготовления в условиях данного производства имеется необходимое технологическое обеспечение (оборудование, инструмент, приспособления и т.п.). Поэтому коэффициент унификации элементов обычно вычисляют по формуле

, (4.7)

где N_э - общее количество конструктивных элементов в детали;

N_уэ - количество унифицированных конструктивных элементов;

n - количество неунифицированных элементов.

4.3.5. Показатель использования материала (К_им).

Этот коэффициент определяется по соотношению

, (4.8)

где - масса готовой детали;

- масса заготовки.

4.4. Организационная подготовка производства.

4.4.1. Организация чертежного хозяйства.

Конструкторская разработка изделия неразрывно связана с организацией чертежного хозяйства, под которой понимается порядок оформления, размножения, хранения, выдачи и внесения изменений во всю техническую (конструкторскую и технологическую) документацию завода. Система организации чертежного хозяйства регламентирована стандартами, которые устанавливают единое оформление технических документов, порядок их копирования, внесения изменений, а также правила хранения и учета.

Все чертежи в зависимости от целевого назначения подразделяются на чертежи изделий основного и вспомогательного производства, чертежи технологические и эксплуатационные. В зависимости от стадии проектирования чертежи изделий основного производства подразделяются на проектные (эскизные) и рабочие. В свою очередь, последние делятся на чертежи, предназначенные для серийного или массового производства, для единичного производства и ремонтные.

В зависимости от способа исполнения различают эскизы, оригиналы (подлинники), дубликаты и копии. По содержанию различают чертежи деталей, сборочные, общих видов, габаритные и монтажные. Стандартами установлены: вид каждого чертежа, размеры, способы оформления.

Все выпускаемые чертежи имеют свой номер, либо условный шифр или индекс. Одна из систем нумерации предусматривает обозначение чертежей по заранее составленному классификатору. Классификатор (обычно десятичный) предусматривает разбивку изделий на 10 классов, каждого класса – на 10 групп, каждой группы – на 10 подгрупп и т.д. При такой системе индекс любого технического документа состоит из двух частей: первая указывает классификационную характеристику чертежа, вторая порядковый номер. Данный способ обозначения носит обезличенный характер.

Другая система индексации состоит в нумерации чертежей деталей, узлов и групп отдельно по каждой машине и сборочной единице, куда эти детали или узлы должны входить. Так, например, 17.12.14 обозначает 14 деталь 12-й группы 17-й машины. Эту систему можно назвать предметной.

Все технические документы хранятся в специальных архивах, общезаводских или цеховых. Общезаводской архив (центральный технический архив) обслуживает конструкторский и технологический отделы завода, причем в нем хранятся не только копии, но и оригиналы документов.

Цеховые архивы (раздаточные кладовые чертежей) обслуживают технические бюро цехов и непосредственно рабочие места соответствующего цеха.

Все технические документы в архивах обязательно подлежат регистрации и выдаются для пользования либо под расписку, либо по рабочим маркам.

Вносить изменения в технический документ имеют право только те органы, которые выпускают данный документ. Для внесения изменений всем пользующимся данным документом рассылают извещения об изменениях (по специальной форме). Затем исправляют технический документ, обязательно указывая, когда и на основании какого извещения данные изменения внесены.

4.4.2. Технико-экономическое обоснование.

При проектировании машин и приборов решается задача технико-экономического характера - получение наиболее высоких эксплуатационных качеств при наименьших затратах на его производство. Каждое вновь создаваемое изделие должно обеспечивать увеличенную экономию живого овеществленного труда по сравнению с действующей техникой. Вывод об экономической эффективности новых конструкций обычно формируют на основе анализа и сопоставления экономических показателей качества новой и действующей техники. Эти показатели объединяют в две группы:

а) показатели, характеризующие экономичность изделия в процессе его производства и зависящие, главным образом, от технологичности конструкции. Такими показателями являются себестоимость изделия, трудовые затраты на производство, расход материалов на единицу изготовляемой продукции;

б) показатели, характеризующие экономичность изделия в эксплуатации: годовая производительность изделия, затраты по эксплуатации, себестоимость единицы работы, срок службы изделия, показатели надежности и ремонтопригодности и т.д.

При проектировании новой техники конструктор преследует цель: получить такое сочетание экономических показателей изготовления и эксплуатации, при котором общие затраты на создаваемый объект были бы меньшими.

Задача создания изделия новой конструкции решается в процессе разработки и сопоставления нескольких вариантов технического решения. Для получения заданных параметров конструктор варьирует различные принципиальные схемы, разные методы изготовления отдельных конструктивных элементов изделия. При этом те или иные решения, принимаемые в ходе разработки проекта, могут существенным образом повлиять как на себестоимость изготовления новой конструкции, так и на уровень эксплуатационных расходов в процессе ее практического применения. Поэтому, как правило, на протяжении всего времени работы над проектом ведут проработку нескольких вариантов решений и отбор оптимальных вариантов с точки зрения экономических показателей. При этом во внимание принимают следующие виды затрат:

1) затраты на основные материалы;

2) затраты на покупные детали и полуфабрикаты;

3) трудоемкость работ по изготовлению изделия;

4) потребляемая электроэнергия в эксплуатации;

5) расходы на ремонт и обслуживание изделия в эксплуатации;

6) характеристики надежности схемы и т.д.

Наилучшим в экономическом отношении принимают вариант с наименьшими затратами и более высокими эксплуатационными характеристиками сопоставляемых элементов.

Технико-экономическое обоснование и определение экономической эффективности нового изделия определяют на всех этапах разработки конструкции. При этом технико-экономическое обоснование новой конструкции содержит:

а) описание данной конструкции и ее технико- экономических преимуществ по сравнению с существующими изделиями;

б) прогнозы потребности в изделиях данной конструкции на ближайшую перспективу (10 – 15 лет);

в) расчет капитальных вложений, себестоимости и цены нового изделия;

г) расчет эксплуатационных расходов и себестоимости работ, выполняемых с помощью разрабатываемой новой техники;

д) определение экономической эффективности новой техники по сравнению с существующей.

Естественно, что на первых этапах конструирования все расчеты носят приблизительный (укрупненный) характер, а на последних этапах подготовки производства к моменту передачи нового изделия в серийное производство расчеты ведутся достаточно подробно, по всем элементам затрат.

Для расчета себестоимости изделия по укрупненным показателям применяют один из следующих методов.

1. Метод удельных весов. С помощью этого метода себестоимость проектируемой конструкции определяют по стоимостному удельному весу затрат на отдельные элементы, взятых из полной себестоимости аналогичных конструкций.

2. Метод приведения к базовому узлу. Если имеется возможность подробно рассчитать себестоимость одного из основных узлов (блоков) изделия и известен удельный вес подобного узла в себестоимости аналогичного изделия, то этот факт используют для пересчета себестоимости новой конструкции.

3. Метод множественной корреляции. Этим методом себестоимость рассчитывают на основе установления корреляционной зависимости между себестоимостью изделий и их отдельными техническими параметрами. Такая зависимость может быть выведена для каждой группы изделий с применением принципов математической статистики.

4. Метод учета затрат на единицу веса изделия. При применении этого метода предполагается, что себестоимость единицы веса аналогичных изделий, близких друг к другу по конструктивно-технологическим особенностям и техническим параметрам, в определенной степени равна между собой.

Зная себестоимость единицы веса (килограмма, тонны) существующей машины и вес проектируемого изделия, укрупненно устанавливают себестоимость новой машины. Имеются и другие приближенные методы расчета материалоемкости и трудоемкости новых изделий. Все они широко используются в экономических расчетах на стадиях проектирования новой техники.