Теоретические основы технологии машиностроения

Если принят чрезмерно маленький припуск, то возрастают требования к точности заготовок, усложняется удаление дефектных слоев материала, возникают трудности при установке заготовок на станках, увеличивается возможность появления брака.

Слой материала, удаляемый с заготовки при выполнении одной технологической операции называется операционным припуском.

Припуск, удаляемый при выполнении одного перехода называется промежуточным.

На каждый припуск назначается допуск, который представляет собой разность между наибольшим и наименьшим значениями припуска.

Значения припусков и допусков определяют промежуточные операционные размеры.

На рис. 39 представлена схема расположения припусков и допусков на обработку точением и шлифованием.

Общий номинальный припуск на обработку равен разности номинальных размеров исходной заготовки и готовой детали:

или равняется сумме номинальных припусков на отдельные операции:

Минимальный операционный припуск - это разность между наименьшим предельным размером до обработки и наибольшим предельным размером после обработки на данной операции.

Максимальный операционный припуск - это разность между наибольшим предельным размером до обработки и наименьшим предельным размером после обработки на данной операции.

где ТАi-1 и ТАi - допуски на предшествующей и последующей операции.

Припуски на обработку могут быть симметричными и асимметричными.

Симметричные припуски обычно имеют место при обработке цилиндрических и конических поверхностей (рис.40), а также при одновременной обработке взаимно противоположных поверхностей, которые имеют равные припуски (рис.41).

Для наружных цилиндрических поверхностей припуск определяется по формулам:

Для внутренних цилиндрических поверхностей:

Для плоских наружных и внутренних поверхностей:

;

Асимметричный припуск появляется в том случае, когда две противоположные поверхности обрабатываются независимо друг от друга:

Номинальный операционный припуск - это разность номинальных размеров изделия до и после обработки на данной операции:



Номинальный операционный припуск складывается из наименьшего припуска на выполнение данной операции и допуска на обработку на предшествующей операции.

Из формул следует, что расширение допуска на предыдущих операциях ведёт к увеличению припуска на последующих операциях, что снижает производительность обработки.

При уменьшении припуска на данной операции необходимо повышать точность предшествующей обработки.

Таким образом припуск должен находиться в определенных границах: быть не слишком большим, чтобы не усложнять обработку снятием большого слоя металла и не слишком малым, чтобы не вызывать необходимость повышения точности обработки на предыдущей операции.

Для того, чтобы выбрать правильно величину припуска пользуются аналитическими расчетами, которые основаны на определении минимально возможного припуска, обеспечивающего качество обработки, заданное на чертеже.

Минимальный припуск определяется по формуле:

где: Z1 - слой металла, который необходимо удалить с заготовки для устранения неровностей, связанных с предыдущей обработкой RZi-1 дефектного слоя металла hi-1, возникшего в связи с коррозией, образованием трещин, перенаклёпом, окалиной и т.д.

Для тел вращения коэффициент Z1 определяется по формуле:



При односторонней обработке:

Z2 - слой металла, снимаемый для компенсации погрешности формы и пространственных отклонений в расположении обрабатываемых поверхностей относительно базовых поверхностей исходной заготовки;

Z3 - слой металла, удаляемый для компенсации погрешности установки заготовки в приспособлении.

Минимальный припуск во всех случаях должен быть больше минимальной толщины стружки, которую может на данном станке снять режущий инструмент.

В условиях единичного и мелкосерийного производств, как правило припуск не рассчитывают по формулам, а выбирают по нормативным таблицам и рекомендациям, которые составлены на основе обобщенного опыта обработки в средних условиях обработки.

Порядок расчета припусков на механическую обработку.

Расчет припусков начинается от готовой детали, т.е. от тех размеров и поверхностей, которые заданы на чертеже к размерам заготовки.

Первоначально определяют минимальный припуск, который необходим для обеспечения требуемой точности и других параметров, выполнение которых обязательно для нормального функционирования изделия.

Так, например, если какая-либо поверхность вала обрабатывается точением и шлифованием, то припуск на обработку начинают назначать с операции шлифования.

Затем определяют величину максимального припуска, который только возможен при неблагоприятных сочетаниях промежуточных размеров.

Расчет осуществляют по формулам, которые были приведены ранее.

После этого определяют размеры заготовки перед данной операцией путем прибавления припусков к линейным размерам, проставленным на чертеже. Т.е. определяют размеры заготовки после точения (перед шлифованием).

Далее определяют минимальный и максимальный припуск на следующую операцию, в приведенном примере - на точение. После того, как эти припуски будут сложены с линейными размерами, которые имела заготовка перед шлифованием, то получатся размеры заготовки, которые необходимы, чтобы обеспечить заданные параметры при установленном маршруте обработки. Поскольку полученные размеры заготовки могут быть отличными от стандартных, то их обычно увеличивают до ближайшего стандартного значения. В результате получаются размеры исходной заготовки.

Как правило, припуски определяют аналитическими расчетами для наиболее точных и ответственных поверхностей детали. Для остальных поверхностей припуски могут быть выбраны по таблицам, рекомендациям и нормативам для конкретных условий обработки.

Обычно при расчете припусков наиболее важным является минимальный припуск, который должен быть достаточным для компенсации погрешностей предыдущей операции и той, которая рассчитывается. Величина максимального припуска обычно жестко не ограничивается.

Но в некоторых случаях величина максимального припуска также строго ограничивается. Например, после термической обработки необходимо, чтобы максимальный припуск на последующую механическую обработку (тонкое точение, шлифование) был бы меньше глубины закаленного слоя.

В условиях единичного производства общий припуск на механическую обработку следует распределять следующим образом: 60% всего припуска использовать для черновой, а 40% - для чистовой обработки. Если используется черновая, получистовая и чистовая обработка, то припуск распределяется соответственно 45, 30 и

10. РАЗМЕРНЫЕ ЦЕПИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Классификация размерных цепей и методы их расчета.

При обработке заготовок и при сборке отдельных деталей в узел взаимное расположение поверхностей определяется линейными и угловыми размерами между ними, причем эти размеры образуют замкнутые размерные цепи.

Размерной цепью называется совокупность размеров, которые определяют взаимное расположение поверхностей или осей поверхностей одной детали или нескольких деталей сборочного соединения, причем эти размеры расположены по замкнутому контуру.

Размерные цепи подразделяются на технологические и конструкторские.

Технологическая размерная цепь определяет расстояния между поверхностями изделия при выполнении операций механической обработки или сборки, при настройке станка или расчете межоперационных размеров и припусков.

Конструкторская размерная цепь определяет расстояния или относительный поворот между поверхностями или осями поверхностей деталей в изделии.

Все размеры, которые входят в размерные цепи называются звеньями. То звено, которое связывает две исполнительные поверхности и является исходным при постановке задачи или получающееся последним в результате её выполнения, называется замыкающим. Остальные звенья цепи называются составляющими.

Точностью исходного звена размерной цепи определяется точность размеров составляющих звеньев.

Поиск размерной цепи начинают с исходного звена, причем сначала определяют от какой конструкторской базы детали зависит её требуемое положение в пространстве. Затем соединяют последовательно основные и вспомогательные базы сопрягающихся деталей или сборочных единиц пока размерная цепь не замкнётся.

Размерная цепь должна быть обязательно замкнутой.

При механической обработке заготовки или при сборке исходное звено становится замыкающим и формируется в последнюю очередь, замыкая размерную цепь. Обычно на чертежах размер замыкающего звена не проставляется. В технологических размерных цепях замыкающим звеном часто является размер припуска на обработку заготовки.

В сборочных размерных цепях замыкающим звеном могут быть зазор, линейный или угловой размеры, точность которых является решающей при обеспечении работоспособности узла.

Звено размерной цепи, с увеличением которого замыкающее звено увеличивается, называется увеличивающим и обозначается звено, с увеличением которого замыкающее звено уменьшается, называется уменьшающим и обозначается .

Размерные цепи в зависимости от расположения размеров разделяются на:

линейные размерные цепи, которые состоят из взаимно параллельных линейных размеров;

угловые размерные цепи, звеньями которых являются угловые размеры;

плоские размерные цепи, звенья которых расположены в одной или нескольких параллельных плоскостях;

пространственные размерные цепи, звенья которых находятся в непараллельных плоскостях.

Правильно составленная размерная цепь позволяет:

разобраться во взаимосвязях деталей, которые входят в состав машины и её сборочных единиц;

определить методы достижения требуемой точности;

проверить правильность простановки размеров и допусков и, если надо, то внести поправки в чертежи;

установить последовательность обработки или сборки.

Расчёт размерных цепей сводится к решению прямой или обратной задачи.

При прямой задаче по заданным параметрам замыкающего звена определяются параметры составляющих звеньев, т.е. по допуску замыкающего звена рассчитываются допуски составляющих звеньев.

При обратной задаче по параметрам составляющих звеньев определяются параметры замыкающего звена, т.е. по номинальным размерам и допускам составляющих звеньев рассчитывают номинальный размер замыкающего звена, его допуск и предельные отклонения.

В зависимости от цели и производственных условий размерные цепи рассчитываются на максимум и минимум, с учётом регулирования размеров при сборке, с учетом пригонки отдельных размеров деталей при сборке. Выбор того или иного способа зависит от того, какой метод заложен при достижении требуемой точности изделия: метод полной или неполной взаимозаменяемости.

Метод полной взаимозаменяемости.

Этот метод обеспечивает достижение требуемой точности замыкающего звена размерной цепи путём включения её составляющих звеньев в цепь без выбора, подбора или изменения их значений.

Любая деталь, выполненная по методу полной взаимозаменяемости используется при сборке без подгонки, подбора с сохранением заданных эксплуатационных свойств.

При использовании метода полной взаимозаменяемости расчет размерных цепей производится на максимум и минимум: учитываются только предельные отклонения звеньев при самых неблагоприятных их сочетаниях.

В начале расчета необходимо построить размерную цепь.

Рис. 44. Схема составления размерной цепи.

При решении обратной задачи составляют уравнение размерной цепи, которое определяет зависимость номинального размера замыкающего звена A0 от номинальных размеров составляющих звеньев:

где: m - общее количество звеньев цепи, включая замыкающее звено; n - количество увеличивающих звеньев.



где: - увеличивающий размер составляющего звена;

- уменьшающий размер составляющего звена. Наибольший предельный размер замыкающего звена линейной размерной цепи:

Наименьший предельный размер замыкающего звена

Допуск равен разности наибольшего и наименьшего размеров:

Выражения, находящиеся в скобках представляют собой допуски соответствующих размеров:

Верхнее предельное отклонение замыкающего звена ESA0 равно разности суммы верхних отклонений увеличивающих звеньев и суммы нижних отклонений уменьшающих звеньев:



Нижнее предельное отклонение замыкающего звена размерной цепи EIA0 равно разности суммы нижних отклонений увеличивающих звеньев и суммы верхних отклонений уменьшающих звеньев:

Предельные отклонения ESA0 и eIa0 размера замыкающего звена могут быть определены и по значениям координаты середины поля допуска, которая определяется по следующей формуле:

Отсюда предельные отклонения:

Координата середины поля допуска ЕCА0 замыкающего звена линейной размерной цепи определяется по формуле:

При решении прямой задачи часто используется способ пробных расчетов.

В этом случае на все составляющие звенья размерной цепи назначаются допуски в соответствии со стандартными допусками соответствующих квалитетов точности. После чего определяют величину ожидаемого поля рассеяния размера замыкающего звена w0 и координату середины его поля рассеяния ECw0.

Полученные значениям w0 и ECw0 сравниваются с требуемыми допуском замыкающего звена и координатой середины поля его допуска. Если величина ожидаемого рассеяния превышает допускаемые значения колебаний замыкающего звена, то производится ужесточение допусков одного или нескольких составляющих звеньев. После этого производится проверочный расчет размерной цепи.

Часто при расчетах допуски и предельные отклонения назначаются для всех составляющих звеньев кроме одного, который выбирается в качестве регулирующего.

Допуск регулирующего звена определяется по формуле:

Если регулирующее звено является увеличивающим, то его координаты середины поля допуска:

Если регулирующее звено является уменьшающим, то:



В качестве регулирующего звена желательно принимать размер, точная обработка и измерение которого могут быть выполнены без особых проблем, а сам размер достаточно большой.

Метод полной взаимозаменяемости имеет следующие положительные стороны:

высокая производительность и простота при сборке изделий;

простота нормирования сборочных операций и возможность организации поточной сборки;

возможность кооперирования предприятий по выпуску деталей;

упрощение ремонта путем замены износившихся деталей на новые;

практически все работы могут быть выполнены рабочими низкой квалификации.

Единственным недостатком метода является необходимость ужесточения допусков составляющих звеньев. Причем чем больше число звеньев, тем более жесткие допуски необходимо выдерживать при обработке, что в ряде случаев становится практически невыполнимым.

Поэтому расчеты на максимум и минимум рекомендуется применять при коротких размерных цепях, состоящих из двух - трёх составляющих звеньев.

При расчете более сложных размерных цепей этот метод может быть использован только для приближенных расчетов.

Метод неполной взаимозаменяемости.

Если при составлении и расчете размерных цепей оказывается, что число составляющих звеньев более трёх, то рекомендуется использовать метод неполной взаимозаменяемости, при котором требуемая точность обеспечивается путём включения в размерную цепь неподвижного или подвижного компенсатора.

Теория метода неполной взаимозаменяемости основана на следующих положениях:

Погрешности размеров являются случайными величинами и подчиняются законам распределения.

Согласно этим законам появление деталей с предельными погрешностями размеров будет маловероятным.

Сочетание деталей, имеющих предельные размеры при их случайном отборе для сборки одного узла будет тем более маловероятным.

При решении обратной задачи осуществляют расчет поля допуска замыкающего звена.

Из теории вероятностей следует, что случайные величины суммируются квадратически, причем чем больше составляющих звеньев имеет размерная цепь, тем ближе закон распределения размеров замыкающего звена к закону нормального распределения.

Поле рассеяния замыкающего звена w0 или его допуск TA0 определяются по формуле:

где: t - коэффициент риска, который характеризует вероятность выхода отклонений замыкающего звена за пределы допуска.

При практических расчетах поле рассеяния ограничивают определенными пределами, которые зависят от величины среднего квадратического :

где: LCP - среднее арифметическое значение случайной величины;

w - поле рассеяния случайной величины;

t - коэффициент риска.

При распределении размеров по закону Гаусса процент ожидаемого риска в зависимости от величины нормированного параметра распределения может быть определен в соответствии со следующими зависимостями:

Процент риска: 0,1 0,2 0,27 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0

Значение t: 3,29 3,12 3,00 2,80 2,57 2,33 2,17 2,06

Относительное среднее квадратическое отклонение, которое характеризует закон рассеяния размеров составляющих звеньев определяется по формуле:

При распределении размеров составляющих звеньев по закону Гаусса для линейной размерной цепи:

Значения предельных отклонений замыкающего звена определяют по формулам:

Координата центра группирования отклонений составляющего звена линейной размерной цепи:

При распределении размеров составляющих звеньев по закону Гаусса предельные отклонения размера замыкающего звена могут быть вычислены по формулам:

Расчет допусков составляющих звеньев вероятностным методом производится так же, как и при расчете на максимум и минимум, только арифметическое суммирование заменяется геометрическим.

Средний допуск составляющих звеньев определяется по формуле:

Если после расчетов средняя точность размеров составляющих звеньев соответствует 11…12 квалитетам, то считается, что метод неполной взаимозаменяемости приемлим и определенный в результате расчета квалитет принимается в основу для установления допусков всех составляющих звеньев, кроме регулирующего.

Если при расчетах точность размеров составляющих звеньев соответствует 7...9 квалитетам, то метод неполной взаимозаменяемости не может быть использован. В этом случае следует применять метод регулирования или пригонки.

На все размеры размерной цепи назначаются допуски установленного квалитета точности и при необходимости производят расчет допуска регулирующего звена по формуле:

где kP - коэффициент относительного рассеяния размера регулирующего звена.

Координату середины поля допуска размера регулирующего звена ECAP определяют по формулам:

если регулирующее звено является увеличивающим:

если регулирующее звено является уменьшающим:

При использовании метода неполной взаимозаменяемости при нормировании точности размеров Aj назначают среднеэкономичес-кие допуски TAjэ по формуле:



где ТА - допуск на размер замыкающего звена.

В результате после сборки некоторое количество узлов будет иметь значение погрешности замыкающего звена, выходящее за пределы допустимого. Эти узлы разбираются и путём полной или частичной замены деталей повторно собираются. При этом брак устраняется.

Экономическую целесообразность применения метода неполной взаимозаменяемости можно установить следующим путем.

Пусть себестоимость изготовления всех узлов при использовании метода полной взаимозаменяемости:

а при использовании метода неполной взаимозаменяемости:

где: СU1 и CU2 - технологическая себестоимость изготовления комплекта деталей для одного узла при методе полной и неполной взаимозаменяемости;

CC2=CC2 - себестоимость сборки одного узла при тех же двух методах.

Допустим, что CC2=CC2, и что себестоимость разборки одного бракованного узла и повторной его сборки одинаковы и тогда:

Если получается +Э , то экономичнее метод неполной взаимозаменяемости, если -Э , то полной взаимозаменяемости.

При этом в формулах П - программа выпуска узлов, nБ - количество бракованных узлов, подлежащих разборке и повторной сборке.

Таким образом, эффект от применения метода неполной взаимозаменяемости объясняется тем, что:

Допустимое значение [nБ] при котором методы полной и неполной взаимозаменяемости экономически равнозначны:

Ожидаемое значение nБ определяется с помощью коэффициента риска:

где: j - коэффициент относительного рассеяния, зависящий от вида закона распределения погрешности j-го звена;

ТАjэ - назначенный среднеэкономический допуск на размер j-го звена;

n - число составляющих звеньев.

При известном значении t находится по таблицам процент бракованных узлов. Тогда ожидаемое количество бракованных узлов,



Если nБ<[nБ] то рассчитывается ожидаемый эффект при использовании метода неполной взаимозаменяемости. Если решение об использовании метода неполной взаимозаменяемости принято, то выполняется нормирование точности размеров составляющих звеньев.

11. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Характеристика поверхностного слоя металла.

При изготовлении деталей их рабочие и свободные поверхности невозможно выполнить идеально правильными. Кроме того, в процессе эксплуатации на поверхностях образуются царапины, неровности, а граничный слой металла, взаимодействующий с атмосферой изменяет структуру, фазовый и химический состав.

Поверхностным слоем называется слой металла, который по своим физико-механическим и химическим свойствам значительно отличается от слоев нижележащего металла.

При эксплуатации деталей их поверхностный слой подвергается наиболее интенсивному износу под влиянием механического, химического, теплового, магнитоэлектрического, светового воздействия. В результате на поверхности металла появляются трещины, следы коррозии, кавитации, эрозии и т.д. Поэтому к качеству поверхностного слоя металла предъявляются более высокие требования, чем к металлу, находящемуся в сердцевине детали.

Качество поверхностного слоя характеризуется множеством параметров, которые представлены в таблице.

Геометрические погрешности поверхностей в зависимости от отношения шага S к высоте неровностей RZ подразделяются следующим образом: при S/RZ < 50 - шероховатость поверхности, при S/RZ = 50...1000 - волнистость поверхности, а при S/RZ > 1000 - отклонения от правильной геометрической формы (овальность, конусность, вогнутость и т.д.).

Любая поверхность содержит большое число дефектов: рисок, раковин, трещин, сколов, вмятин, заусенцев, пор, выкрашиваний которые могут быть распределены равномерно по всей поверхности или быть сосредоточенными на отдельных участках.

По ГОСТ 2789-73 нормирование шероховатости осуществляется по высоте (RZ, Ra, Rmax) и по параметрам, характеризующим форму, расположение и направление микронеровностей в пределах базовой длины - среднему шагу неровностей Sm, среднему шагу неровностей по вершинам S и относительной опорной длине профиля tР.

Таблица 3 Классификация параметров шероховатости слоя металла.

Группа параметров	Параметр
	Наименование	Обозначение	Единица измер.
1. Неровности поверхности: шероховатость	Наибольшая высота неровностей профиля	Rmax	мкм
	Высота неровностей профиля	RZ	мкм
	Среднее арифметическое отклонение профиля	Ra	мкм
	Средний шаг неровностей	Sm	мм
	Средний шаг неровностей по вершинам	S	мм
	Относительная опорная длина профиля	tP	%
	Радиус скругления впадин неровностей	r	мм
	Среднее квадратическое отклонение профиля	Rq	мкм
волнистость	Высота волнистости поверхности	WZ	мкм
	Средний шаг волнистости поверхности	Sw	мм
2. Характеристики физико-химического состояния поверхности:

Рис. 45.Следы инструмента на поверхности металла после лезвийной обработки.

Волнистость появляется на поверхности детали в процессе механической обработки из-за вибраций в технологической системе. Различают поперечную волнистость с расположением волн перпендикулярно к движению режущего инструмента и продольную - с расположением волн в направлении движения инструмента.

Поверхность любого тела (граничный слой материала) имеет ряд особенностей по сравнению с его внутренними слоями материала. Атомы, расположенные внутри твердого тела имеют связи с другими атомами кристаллической решётки, и находятся в устойчивом равновесии. Атомы, находящиеся в граничном слое металла имеют только односторонние связи, поэтому их состояние неуравновешенное. Эти атомы более активны, они обладают свободной энергией. Кроме того, граничный слой материала подвержен влиянию атмосферных паров, воды, масел, которые проникают во внутренние пространства между атомами. В результате этого на поверхности металла происходят химические реакции, которые приводят к обезуглероживанию, снижению количества легирующих элементов и т.д. Влияние внешних факторов усиливается, когда механическая обработка происходит при высоких температурах, которые усиливают скорость протекания химических реакций. Это может привести к преждевременному износу детали, её коррозии и полной потере работоспособности.

Под действием механической обработки в металле происходит пластическое деформирование, которое приводит к появлению остаточных напряжений. В результате отдельные участки имеют остаточные напряжения сжатия, другие - растяжения. При последующей механической обработке или в процессе эксплуатации может произойти перераспределение остаточных напряжений и деталь получит искажение формы.

Остаточные напряжения подразделяются на три вида:

напряжения первого рода или макронапряжения. Они охватывают области, размеры которых соизмеримы с размерами детали и имеют ориентацию, связанную с формой детали. Возникают от неоднородности силового, температурного поля внутри детали;

напряжения второго рода, или микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группу зерен;

напряжения третьего рода, относящиеся к искажениям атомной решётки.

Напряжения второго и третьего рода имеют разную ориентацию и малы по значению, поэтому не оказывают влияния на коробление деталей. Эти напряжения возникают в результате фазовых превращений, изменения температуры, анизотропии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зёрен на блоки при пластической деформации.

Остаточные напряжения можно определить расчетными и экспериментальными методами. При теоретических расчетах определяют значения и знак напряжений в результате силового и теплового напряжений в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, формы и размеров детали. При экспериментальных методах остаточные напряжения определяют расчетами по деформации образца после снятия с него напряженного слоя. Этот метод является разрушающим.

При исследованиях поверхностного слоя широко используют рентгеновский метод, позволяющий определять остаточные напряжения и наклёп.

Микротвёрдость поверхностного слоя определяется методом вдавливания алмазной пирамидки в срезанную под углом 2° поверхность исследуемой детали. Для этого используются приборы ПМТ-3 и ПМТ-5.

Структуру металла поверхностного слоя оценивают металлографическим анализом.

После механический обработки металлической заготовки в её поверхностном слое можно выделить три зоны:

I - зона, имеющая сильную деформацию с большими искажениями кристаллической решетки. Зёрна имеют мелкую структуру и обладают высокой твердостью.

II - зона с более низкой твердостью, зерна вытянуты и надвигаются друг на друга.

III - зона переходная; в ней состояние слоя постепенно приближается к состоянию материала в центре детали.

Толщина поверхностного слоя зависит от методов и режимов механической обработки, и составляет I...2 мкм при чистовых методах обработки и до сотен микрон при черновой обработке.

Факторы, влияющие на качество обработанной поверхности.

Основным параметром геометрической точности поверхности является шероховатость, которая зависит от методов обработки, режимов резания, геометрических параметров и качества заточки режущих пластин инструмента, физико-механических характеристик обрабатываемого материала, жёсткости технологической системы, наличия охлаждающей жидкости и др.

Профессором П.Е. Дьяченко предложена общая формула, определяющая параметр шероховатости:

где: RP - расчетная высота шероховатости, зависящая от продольной подачи;

RПЛ - шероховатость, получаемая в результате пластического деформирования металла лезвием инструмента;

RУПР - доля высоты шероховатости, которая получается в результате упругого восстановления металла после прохода инструмента;

RЛ - шероховатость, создаваемая неровностями и дефектами лезвия инструмента;

RД - шероховатость, получаемая за счет взаимодействия стружки с обработанной поверхностью детали или за счет повторного взаимодействия с лезвием режущего инструмента;

RЖ - шероховатость, возникающая из-за податливости технологической системы.

Шероховатость обработки прежде всего зависит от геометрических размеров и формы лезвия инструмента, контактирующего с обрабатываемой поверхностью. В этом случае высота неровностей может быть легко определена с помощью формул, которые могут быть получены для любых вариантов обработки.

В процессе резания при снятии или без снятия стружки при использовании методов пластического деформирование происходит необратимая деформация кристаллов металла. Волна деформации распространяется во все стороны от инструмента, в том числе и в сторону уже обработанной поверхности. При этом на детали формируются наросты, трещины, задиры и т.д., которые повышают шероховатость поверхности.

Процесс снятия стружки происходит неравномерно. Первоначально инструмент соприкасается с обрабатываемой поверхностью, и сила давления на металл начинает расти. Металл под действием силы резания начинает упруго деформироваться. После того, как сила резания станет больше предела прочности металла, происходит его разрушение, сопровождающееся снятием стружки с единичного участка. При этом режущий инструмент совершает скачкообразное перемещение относительно обрабатываемой детали, часть металла упруго деформируется, и после прохода инструмента возвращается в исходное состояние. На обработанной поверхности образуются чередующиеся участки срезанного металла и упруго деформированного, причем эти участки имеют разную высоту неровностей.

Качество обработанной поверхности зависит от качества заточки режущего лезвия инструмента. Если на лезвии есть риски, трещины, выбоины, то они автоматически перенесутся на обрабатываемую поверхность. Особенно дефекты поверхности будут существенны при обработке однолезвийным инструментом, а также при значительном пути резания, например при строгании, протягивании и т.д.

Существует много схем обработки при которых отвод стружки затруднен. Например, при растачивании, сверлении, нарезании резьбы и т.д. полное удаление стружки из зоны резания не гарантировано. В результате стружка может опять попадать под режущее лезвие, что оказывает отрицательное влияние на формирование обработанной поверхности.

Деформации в технологической системе, вызванные силами резания изменяют положение вершины резца относительно обрабатываемой заготовки. Кроме того, как правило, державки резцов изготавливаются из закалённой стали, которая имеет высокую жесткость. Державки при этом не гасят колебания, возникающие в зоне резания, а наоборот их поддерживают. В результате режущее -лезвие совершает высокочастотные колебания, что увеличивает шероховатость обработки.

Из параметров режимов резания наибольшее влияние на шероховатость обработки оказывают скорость резания и подача. С изменением скорости резания изменяется высота нароста, которая наибольшим образом связана с возникновением на поверхности обработанной детали сколов, микротрещин и других дефектов.

На рис. 52 показана зависимость шероховатости от скорости резания. График можно разделить на четыре зоны. Первая зона соответствует малым скоростям резания, порядка 1 м/мин. Нарост при такой скорости не образуется, поверхность после обработки не имеет задиров.

Во второй зоне скорость резания составляет от 1 до 30 м/мин. В этом случае величина нароста максимальна, поверхность имеет высокую шероховатость.

Третья зона соответствует скоростям резания от 25 до 80 м/мин. При резании с такими скоростями величина нароста уменьшается, а качество обработанной поверхности улучшается.

При скорости резания более 80 м/мин нарост отсутствует. В этой зоне параметр шероховатости близок к расчетному и с изменением скорости резания практически не изменяется.

На рис.55 представлена зависимость шероховатости от подачи при точении сталей.

Из графика видно, что чем больше подача, тем больше степень шероховатости обработанной поверхности. Наибольший рост шероховатости имеет место при подаче 0,6...0,7 мм/об, когда кривая устремляется вверх.

При малых подачах большую роль в формировании шероховатости начинают играть дефекты лезвия инструмента.

Величина шероховатости может быть значительно снижена, если обработку производить не обычными резцами с цельнометаллическими державками, а резцами, державки которых имеют полости, заполненные композиционным материалом на полимерной основе, например, синтеграном. Этот материал состоит из различных фракций гранита или габбро-диабаза, соединенных эпоксидной или полиэфирной смолой. В поперечном сечении державки могут иметь различную комбинацию металла и композиционного материала, как показано.

Благодаря тому, что синтегран обладает высокими демпфирующими способностями, в процессе резания происходит гашение колебаний, возникающих в зоне резания. В результате вершина резца не совершает высокочастотных колебаний, что позволяет ей занять стабильное положение в пространстве. При этом снижается шероховатость обработанной поверхности.

Примеры снижения шероховатости при резании на токарном станке показаны на рис. 58-61.

На параметр шероховатости большое влияние оказывает радиус закругления при вершине, главный и вспомогательный углы в плане: при их увеличении шероховатость обработки снижается.

Использование при работе инструмента смазывающе-охлаждающей жидкости улучшает условия обработки, при этом качество обработанной поверхности улучшается.

Рис. 56. Конструкции резцов с полимерной вставкой и с цельнометаллической державкой.



Рис. 57. Варианты поперечного сечения державок резцов.

Зависимость шероховатости обработанной поверхности от скорости резания. Пунктирная линия - резец со вставкой из синтеграна. Обрабатываемый материал - сталь ШХ-15, HRC 58...62, S = 0,08 мм/об, t=0,3 мм.

Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин.

Поскольку эксплуатационные свойства деталей зависят во многом от трения и износа подвижных соединений, то наиболее существенным параметром качества поверхности является её шероховатость. Именно от шероховатости поверхности зависит стабильность посадок деталей, зазоры и натяги в соединениях.

В начале эксплуатации трущиеся поверхности деталей контактируют между собой по вершинам неровностей, и в местах контакта возникают большие давления, превышающие предел прочности. В результате происходит срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, что приводит к интенсивному первоначальному износу и увеличению зазоров трущейся пары. Кроме того, в процессе приработки сопряженных поверхностей возможен разрыв масляной пленки между ними, в результате возникает сухое трение, усугубляющее интенсивность износа. Поэтому после приработки параметр шероховатости будет значительно отличаться от полученного после механической обработки.

На рис. 62. показаны графики зависимости износа сопряженной пары от времени работы. Кривые линии имеют две критические точки и три участка, характеризующие интенсивность износа. На участке I точка А представляет конец приработки. На участке II имеет место нормальный медленно растущий износ. В точке Б износ достигает максимально возможной величины, при которой дальнейшая эксплуатация деталей невозможна. В точке Б работа должна быть остановлена, а детали необходимо отправить в ремонт или заменить на новые. Если работа изделия будет продолжена, то на участке III износ будет расти катастрофически быстро.Величина износа больше у поверхностей, которые имеют больший параметр шероховатости, или имеют больший шаг неровностей.

Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением ведёт к повышению износа за счёт возрастания механического зацепления, среза и скалывания неровностей. Если путем механической обработки получить поверхность с минимальной высотой неровностей, то в этом случае величина износа может возрастать в связи с возникновением молекулярного взаимодействия поверхностей, что ведет к выдавливанию между ними смазки, заеданию и сцеплению между собой.

Шероховатость поверхности оказывает большое влияние на стабильность заданных посадок. В процессе эксплуатации происходит износ поверхностей и характер посадки изменяется. Для предотвращения этого при обработке поверхностей ответственных сопряжении необходимо стремиться достижения минимальной шероховатости. Причем высота шероховатости зависит от требуемой точности проектируемого сопряжения и определяется по следующим формулам:

при диаметре сопряжения свыше 50 мм:



при диаметре сопряжения от 18 до 50 мм:

при диаметре сопряжения менее 18 мм:

где Т - поле допуска детали в мкм;

RZ - высота неровностей, мкм.

Конструктор, проектирующий новое изделие, должен назначить шероховатость трущихся поверхностей, соответствующую её оптимальному значению, при котором износ и коэффициент трения при эксплуатации будут минимальными.

На повышение износостойкости деталей существенное влияние оказывают наклёп и остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое металла. Это уменьшает смятие и износ поверхностей при их контакте в процессе работы.

Но положительное влияние наклёпа не износостойкость трущихся поверхностей имеет место только в определенных условиях.

Оптимальный вариант имеет место, когда микротвердость постепенно понижается по мере углубления в деталь (рис. 64, а). В этом случае связь поверхностного упрочненного слоя с основным материалом прочная.

Если степень пластической деформации поверхностного слоя выше определенного значения для данного материала, то в металле начинается процесс его разрыхления (рис. 64, в). Поверхностный слой имеет разрушенную кристаллическую решетку и покрыт сеткой мелких трещин.

На рис. 64, б показан вариант, когда микротвердость постоянна в тонком поверхностном слое, а затем резко падает по мере углубления в деталь. В этом случае наклёпанный слой имеет слабую связь с основным металлом.

Таким образом, перенаклёп приводит к резкому снижению износостойкости и усталостной прочности деталей. Кроме того, на поверхности металла возникают зоны коррозии, снижающие стойкость деталей к агрессивным средам.

На прочностные характеристики металла большое влияние оказывают дефекты кристаллической решетки. С одной стороны искажения кристаллической решетки ослабляют металл, с другой -наоборот упрочняют, не давая атомам скользить друг относительно друга.

На рис.65 представлена зависимость прочности металла от числа дефектов. При определенной плотности дефектов m металл имеет минимальное сопротивление деформации. Увеличение числа дефектов по сравнению m ведет к повышению прочности. Все используемые в настоящее время методы упрочнения (наклеп, легирование, термообработка) соответствуют заштрихованному участку правой ветви кривой. Однако, использование левой ветви кривой наиболее предпочтительно. В этом случае прочность резко повышается с приближением структуры кристалла к идеальной.

В настоящее время практически идеальная внутренняя структура достигается при изготовлении угольных, борных, стеклянных и др. волокон. При изготовлении нитевидных кристаллов металла их прочность приближается к теоретической. Так, например, у нитевидных кристаллов железа предел прочности равен 1336 кг/мм, когда у обычного железа только 30 кг/мм , у меди 302 кг/мм и 26 кг/мм , цинка 225 кг/мм и 18 кг/мм соответственно. Все это значительно повысит эксплуатационные свойства деталей машин в ближайшем будущем, когда такие материалы можно будет выпускать в необходимых количествах.

На износостойкость и прочность поверхностного слоя деталей машин большое влияние оказывает вид структуры металла. Так мелкозернистая структура более предпочтительна, поскольку она позволяет повысить предел текучести железоуглеродистых сплавов в три раза, по сравнению с крупнозернистой.

Пути повышения качества поверхностного слоя деталей машин.

Срок службы изделия и качество поверхностей его отдельных деталей в конечном счете зависят от методов и режимов механической обработки, которые были использованы в процессе их изготовления, т.е. существует прямая связь между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостной прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и т.д.) и режимами обработки заготовок на основных этапах изготовления. Окончательно поверхностный слой формируется на финишных операциях обработки.

Технологический процесс обработки должен быть составлен так, чтобы постепенно и целенаправленно формировать поверхностный слой с заданными параметрами. Припуски на обработку, режимы и последовательность выполнения операций устанавливают с учетом технологической наследственности так, чтобы у деталей сохранились положительные свойства (наклёп поверхностного слоя, остаточные напряжения сжатия, закаленный слой и т.д.) и были устранены отрицательные качества (дефектный слой, геометрические дефекты и т.д.).

Большой эффект достигается при использовании вместо методов механической обработки, связанных со снятием стружки, методов пластического деформирования, которые позволяют сохранить нетронутыми волокна металла, создать наклеп, обеспечить повышение твердости, сформировать остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность деталей.

Использование методов пластического деформирования при обработке деталей позволяет повысить их эксплуатационные свойства, сократить потребности в материалах, а в конечном счете снизить расходы на изготовление и эксплуатацию машин. Для упрочнения поверхностного слоя деталей машин в настоящее время используют поверхностное легирование, покрытие поверхностей методом напыления твердыми сплавами и металлами, химико-термическую обработку и т.д.

12. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СБОРКИ МАШИН

При изготовлении машин сборка является заключительным этапом. Это очень трудоёмкий и ответственный процесс от качества выполнения которого зависит ресурс работы изделия. Сборка от общей трудоёмкости изготовления машин составляет от 20 до 45%. Сборочные операции практически на 85% выполняются вручную слесарями-сборшиками и, как правило, для выполнения этих операций требуются большие затраты физического труда и рабочие высокой квалификации.

Бывают случаи, когда процесс выполнения механической обработки осуществляется быстро, а сборочные операции имеют большую трудоёмкость, приводят к снижению экономических показателей работы предприятия. На, складах скапливается большое количество готовых к сборке деталей, повышающих стоимость незавершенного производства.

Изготовление отдельных деталей полностью в соответствии с требованиями чертежей не гарантирует, что изделие будет обладать высокими эксплуатационными характеристиками, поскольку при сборке могут быть внесены различные погрешности. Причинами таких характеристик могут быть:

Погрешности регулирования, пригонки, контроля точности положения отдельных деталей в изделии, а также погрешности самих измерительных инструментов.

Недостаточно плотные соединения собираемых деталей, возможность попадания стружки, масла между сопрягаемыми поверхностями, нарушения порядка затяжки резьбовых крепежных соединений.

Возможные смещения деталей в процессе их фиксации из первоначального положения.

Образование заусенцев, задиров и других дефектов на собираемых деталях.

Упругие и пластические деформации сопрягаемых поверхностей, снижающие точность и плотность соединений.

Виды сборки.

Сборка - это соединение нескольких деталей в единое изделие. Соединения бывают:

неподвижные разъёмные (резьбовые, конические, пазовые);

неподвижные неразъёмные (клёпка, запрессовка);

подвижные разъёмные (подшипники скольжения, зубья зубчатых колёс);

подвижные неразъёмные (подшипники качения, запорные клапаны) .

По своему объёму сборка подразделяется на общую сборку, при которой собирается изделие в целом, и на узловую сборку, объектом которой является только часть изделия, т.е. узел или сборочная единица.

В условиях единичного и мелкосерийного производства изделия собираются из отдельных деталей сразу на общей сборке, а при увеличении серийности первоначально собираются отдельные сборочные единицы, а потом они собираются в изделие. Так, например, при изготовлении автомобиля отдельно собираются двигатель, коробка передач, кузов, мосты, и после этого они поступают на. общую сборку.

Существуют следующие виды сборки:

предварительная сборка, предназначенная для сборки отдельных узлов или изделия в целом с целью определения величины компенсаторов. После этого изделие снова разбирают;

промежуточная сборка для совместной дальнейшей обработки сборочной единицы (например, шатун собирается с крышкой для дальнейшей обработки отверстия под вкладыши подшипника);

сборка под сварку. Например, при изготовлении автомобиля отдельные элементы кузова устанавливаются в специальные ориентирующие приспособления, которые обеспечивают правильное их взаимное положение, и производится сварка;

окончательная сборка после которой последующая разборка не предусмотрена. Для крупногабаритных изделий после окончательной сборки возможен демонтаж отдельных узлов с целью обеспечения возможности транспортировки изделия к потребителю (например, при сборке турбин, кранов, ракет и т.д.).

По способу образования соединений сборка подразделяется на:

слесарную - сборку изделия с использованием слесарно-сборочных операций;

монтаж - установку изделия не месте постоянного использования (монтаж ракеты на стартовой площадке, монтаж турбины на гидростанции и т.д.);

электромонтаж - монтеж изделий, имеюших токоведущие элементы;

сварку, пайку, клёпку и склеивание.

В настоящее время широко используются клееные изделия, имеющие ряд преимуществ по сравнению с другими соединениями:

температура образования соединения ниже предельной температуры его эксплуатации;

обеспечивается значительная экономия инструментальных материалов благодаря многократному использованию корпусов инструментов ;

возможна замена монолитных конструкций на сборные;

отсутствует влияние высоких температур на качество соединения (микротрещины, понижение твердости базирующих поверхностей, обезуглероживание и поводка);

гасятся вибрации, сохраняются исходные физико-механические свойства и структура металлов;

увеличивается ресурс изделия в целом.

В качестве клея используются составы на основе эпоксидных, полиэфирных, фенолформальдегидных и других смол в виде паст, плёнок и т.д.

Организационные формы сборки.

В зависимости от условий, типа и организации производства сборка имеет различные организационные формы, представленные на рис. 66. По способу перемещения собираемого изделия сборка подразделяется на стационарную и подвижную, а по организации производства - на непоточную, групповую и поточную.

Непоточная стационарная сборка характеризуется тем, что весь процесс сборки изделия и его сборочных единиц выполняется не одной сборочной позиции: станке, стенде, рабочем месте, столе, на полу цеха. На эту позицию поступают все детали, сборочные единицы и комплектующие изделия. Как правило, вся сборка изделия осуществляется одной бригадой рабочих-сборщиков от начала и до конца.

Метод имеет следующие преимущества:

При сборке крупных изделий сохраняется неизменное положение базовой детали, которая является основой для сборки. Это позволяет повысить точность собираемого изделия.

Возможно использование универсальных инструментов, приспособлений и транспортных средств, что снижает стоимость сборки.

Вместе с тем метод имеет и ряд недостатков:

Цикл сборки имеет большую продолжительность, поскольку все операции сборки осуществляются последовательно.

Необходимость наличия больших площадей и необходимого количества стендов для сборки.

Необходимость наличия высококвалифицированных рабочих, способных выполнять любые сборочные операции.

Непоточная стационарная сборка используется в условиях экспериментальных и ремонтных предприятий, а также в единичном и мелкосерийном производстве тяжёлого машиностроения.

Непоточная стационарная сборка с расчленением сборочных работ состоит из общей и узловой сборки, которые осуществляются одновременно разными бригадами сборщиков. В результате этого время сборки значительно сокращается.

Необходимое количество стендов для такого вида сборки определяется по формуле:

где: Т0 - расчетная трудоёмкость всех переходов сборки одного объекта;

ТС - расчетная трудоёмкость переходов, выполнение которых совмещено с выполнением сборки других объектов во времени;

Т - расчетный такт сборки.

Метод непоточной стационарной сборки с расчленением сборочных работ имеет следующие преимущества:

Сокращается время общего цикла сборки.

Сокращается трудоёмкость выполнения отдельных сборочных операций за счёт специализации рабочих мест, их оборудования приспособлениями и механическими устройствами, улучшения организации труда и специализации сборщиков на выполнении одних и тех же операций.

...