Технология машиностроения. Том 1. Основы технологии машиностроения

                ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ





            Основы технологии машиностроения


        Том 1

Под редакцией д-ра техн, наук, проф. А.М. Дальского, д-ра техн, наук, проф. А.И. Кондакова

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 151000 «Технологические машины и оборудование» и 150700 «Машиностроение», и по специальности 151701 «Проектирование технологических машин и комплексов», а также для других технологических специальностей




Москва 2011

УДК 621 (075.8)
ББК 34.5
     Т38

Авторы:
В. М. Бурцев, А. С. Васильев, И. Н. Гемба, А. М. Дальский,
О. М. Деев, Р. 3. Диланян, А. В. Игнатов, М. С. Камсюк,
В. Л. Киселев, А. И. Кондаков, Р. К. Мещеряков, О. В. Спиридонов,
В. И. Тавров, А. Г. Холодкова, Н. А. Ястребова

Рецензенты.
кафедра «Технология машиностроения» Тульского государственного университета;
д-р техн. наук, проф. Ю. С. Степанов


         Технология машиностроения : учеб. для вузов : в 2 т. / T38 [В. М. Бурцев и др.]; под ред. А. М. Дальского, А. И. Кондакова. — 3-е изд., испр. и перераб. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.
        ISBN 978-5-7038-3444-2

        Т. 1 : Основы технологии машиностроения. — 2011. — 478, [2] с. : ил.
        ISBN 978-5-7038-3442-8
        Раскрыты основные понятия и положения технологии машиностроения. Всесторонне рассмотрены основные технологические задачи создания машины, подготовки производства и ее изготовления. Особое внимание уделено вопросам качества. Изложены основы теории выбора и принятия технологических решений, а также методика разработки технологических процессов изготовления деталей и сборки. Показаны современные подходы к разработке прогрессивных технологических процессов в условиях единичного и массового производства. Содержание учебника соответствует курсам лекций, читаемым в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
        Для студентов машиностроительных специальностей технических вузов и университетов. Может быть полезен работникам промышленности, исследовательских организаций и аспирантам.


УДК 621 (075.8)
ББК 34.5

ISBN 978-5-7038-3442-8 (Т. 1)
ISBN 978-5-7038-3444-2

© Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Существование и прогресс современного общества немыслимы без применения машин различного функционального назначения, конструкции которых постоянно совершенствуются. Необходимость их эффективного изготовления способствовала появлению самостоятельной учебной дисциплины «Технология машиностроения», охватывающей заключительные этапы машиностроительного производства — превращение исходных заготовок в детали и сборку машины. Технология машиностроения базируется на фундаментальных знаниях и передовом производственном опыте. С развитием технологических методов обработки и реализующего их оборудования, применением современных средств автоматизации и появлением новых методологий технологического проектирования она непрерывно совершенствуется как по содержанию, так и по форме представления и методике изучения материала.
   За десятилетие, прошедшее со дня выхода в свет предыдущего издания учебника, в технике и технологии произошли изменения, поэтому потребовалось внесение корректив в его содержание.
   Учебник состоит из двух томов: «Основы технологии машиностроения» и «Технология производства машин», материал которых в совокупности составляет учебную дисциплину «Технология машиностроения» и может быть использован студентами как технологических, так и конструкторских специальностей. Работа с предлагаемым учебником требует от читателя знания основ смежных технических и технологических дисциплин — технологии конструкционных материалов, материаловедения, основ метрологии, взаимозаменяемости и технических измерений, а также курсов по основам проектирования машин.
   Учебник не претендует на исчерпывающее изложение всех современных аспектов технологии изготовления машин. В нем раскрыты основные технологические задачи, связанные с производством машин общего назначения, и предложены пути их решения. Проблемы, связанные с выпуском специальных машин (самолеты, сельскохозяйственные машины, суда и др.), рассмотрены в учебниках отраслевых учебных заведений.
   Научная составляющая дисциплины «Технология машиностроения» ориентирована на решение проблем обеспечения качества из

3

готовления машин в современном автоматизированном производстве. Поэтому в учебнике усилена связь рассматриваемой дисциплины с другими, прежде всего фундаментальными, дисциплинами. Значительное внимание уделено формированию технологических решений, анализу и выбору альтернатив, в том числе с использованием современной вычислительной техники.
   Основы учебно-методического подхода к изучению дисциплины «Технология машиностроения», характерного для технологической школы МВТУ—МГТУ им. Н.Э. Баумана, формировались более ста лет и в современном виде сложились лишь к середине XX в. Выдающаяся роль в этом принадлежит работам профессоров В.М. Кована и В.С. Корсакова, в последующем развитым в трудах профессоров А.М. Дальского, Н.М. Капустина, а также доцентов А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, Г.Н. Мельникова, А.Г. Холодковой и других ученых. Первый том предлагаемого учебника посвящен раскрытию основных понятий и фундаментальных положений технологии машиностроения с позиций этой технологической школы. Авторы стремились сделать учебник максимально полезным для читателя и учесть при его создании не только лучшие традиции своей технологической школы, но и современные тенденции развития техники, технологии, производства.

ВВЕДЕНИЕ


   Машиностроение — важнейшая отрасль промышленности, уровень развития которой в значительной мере определяет эффективность экономики государства и благосостояние общества. Развитие отечественного машиностроения, а не импорт машин, является единственно правильным направлением прогрессивного развития промышленности в целом.
   Конструкции современных машин непрерывно совершенствуются и усложняются. Повышаются требования к их эксплуатационному качеству, усложняются условия их эксплуатации. Высока конкуренция на рынке машиностроительной продукции. Обеспечение конкурентоспособности машин является важнейшей проблемой современного отечественного машиностроения.
   Основные пути решения этой проблемы:
   1)    непрерывное повышение эксплуатационного качества и расширение потребительских свойств машин;
   2)    сокращение длительности разработки конструкций машин, технологической подготовки производства и их изготовления при минимальных затратах и высоком качестве принимаемых и реализующихся при этом решений.
   Любое решение, принятое и реализованное при разработке и производстве машины, следует оценивать лишь с позиций его влияния на эксплуатационное качество машины и характеристики ее жизненного цикла, объединяющего этапы создания, изготовления и эксплуатации.
   Конструкцию машины, обеспечивающую наилучшие характеристики ее жизненного цикла по сравнению с конструкциями других машин того же функционального назначения, называют технологичной. Технологичная конструкция обеспечивает прежде всего снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию машины, позволяя применять при этом более совершенное оборудование и другие средства технологического оснащения. Для создания высокотехнологичных конструкций в настоящее время разрабатывают и внедряют в производство новые методологии конструкторско-технологического проектирования.

5

    При изготовлении машин традиционно обеспечивают производственно-технические показатели качества, важнейшим из которых является точность. На протяжении XX в. точность деталей машин возросла почти в 2 000 раз. Стало обычным изготовление деталей с микро- и долемикрометрической точностью. Вместе с тем понятие «точность» относят не только к характеристикам геометрической формы деталей, но и к иным производственно-техническим показателям качества машины. В широком смысле точность характеризует воспроизводимость и единообразие свойств изготавливаемых машин.
    Число производственно-технических показателей качества машины значительно. В частности, у деталей выделяют следующие показатели: геометрической формы (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей), качества поверхностного слоя (волнистость, шероховатость, характеристики физико-механических свойств), объемных свойств материала (характеристики прочности, твердости и т. д.).
    Обеспечение заданных производственно-технических показателей качества машины во многих случаях затруднительно. Это объясняется действием значительного числа дестабилизирующих технологический процесс (ТП) факторов. Примерами таких факторов являются: силы резания, вызывающие упругие деформации технологической системы, которая включает в себя оборудование, инструмент, приспособление и обрабатываемую заготовку; прогрессирующий износ режущего инструмента, не только влияющий на изменение характеристик геометрической формы обрабатываемых поверхностей, но и способствующий увеличению упругих деформаций технологической системы; тепловые деформации последней и т. д.
    Действие каждого фактора вызывает первичную погрешность* изготовления, например, детали. Совокупное действие всех факторов приводит к возникновению суммарной погрешности изготовления. Ее оценка в ряде случаев затруднительна в связи с взаимным влиянием рассматриваемых факторов.
    Задачей технолога является правильное прогнозирование ожидаемых значений первичных погрешностей и оценка их совокупного влияния на качество изготовления деталей и машины в целом. Технолог должен это учитывать при проектировании ТП изготовления и разработке необходимых мероприятий по обеспечению их качества. Это возможно, лишь опираясь на научные основы технологии машиностроения, ее основные закономерности, общетехноло

    * В последние годы в метрологии наметился переход от использования понятия «погрешность» к понятию «неопределенность». Поскольку в настоящее время такой переход прорабатывается методически, авторы сочли возможным сохранить в предлагаемом учебнике понятие «погрешность».

6

гические принципы и правила. Причем оценить качество ТП можно уже в ходе его разработки.
    Разработка ТП — многоэтапный процесс формирования сложного проектного технологического решения (ТР). На каждом этапе принимают отдельные (частные) ТР, связанные, например, с выбором необходимых технологических методов изготовления, определением содержания и последовательности операций и т. д. При проектировании постоянно возникают альтернативы — ситуации, требующие выбора единственного варианта ТР из множества взаимоисключающих вариантов. Возможна, например, разработка нескольких вариантов ТП изготовления одной и той же детали. Технология машиностроения устанавливает определенные правила выбора (разрешения) технологических альтернатив. Оценку приемлемого варианта ТП изготовления машины наиболее целесообразно давать с позиции ее жизненного цикла, или эксплуатационного качества. Изделие может быть весьма технологичным в производстве, но неудовлетворительно проявлять себя в эксплуатации.
    Основным путем сокращения длительности разработки конструкции машины, технологической подготовки производства (ТПП) и изготовления машины при высоком качестве принимаемых и реализуемых ТР является автоматизация. Современное машиностроительное производство — автоматизированное, в нем широко используется оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ) и средства вычислительной техники для контроля и управления ТП.
    Применение вычислительной техники при ТПП и непосредственном производстве открыло новый этап развития технологии машиностроения как науки. Возможности современной вычислительной техники позволяют формировать сложные ТР при сравнительно малых затратах времени и средств, охватывая практически все функции ТПП. Вместе с тем доказано, что применение средств автоматизации, например систем автоматизированного проектирования ТП (САПР ТП), дает наибольший эффект, если их пользователи владеют методами решения технологических задач на основе применения общетехнологических принципов и правил. Кроме того, высокая сложность технологических задач, трудность их формализации, высокий уровень неопределенности используемых при их решении факторов в ряде случаев существенно ограничивают возможности средств автоматизации ТПП.
    Основы технологии машиностроения охватывают важнейшие этапы разработки ТП изготовления деталей и сборки машин для всех типов производства. Однако каждое производство (единичное, серийное, массовое) имеет свои технологические особенности. Для современного машиностроения наиболее характерны единичное и

7

серийное производства с широкой номенклатурой выпускаемой продукции и частой ее сменой (многономенклатурные производства). Изменилось и массовое производство — во многих случаях оно стало быстросменным, когда выпуск продукции в значительном объеме осуществляется в течение относительно небольшого промежутка времени, после чего происходит смена (модификация) продукции. В производстве каждого типа используют соответствующие ему по уровню специализации оборудование и другие средства технологического оснащения. Современное оборудование с ЧПУ применяют во всех типах производства. Обработка заготовок на агрегатных станках и автоматических линиях, управляемых от систем с ЧПУ или компьютеров, характерна для массового производства. Общим для оборудования, а также других средств технологического оснащения, систем автоматизации и управления современного машиностроительного производства является обеспечение его гибкости и мобильности. Это позволяет производству быстро реагировать на изменяющуюся экономическую ситуацию, требования рынка и наиболее эффективно использовать имеющиеся ресурсы.
    В технологии машиностроения большое влияние уделяется заключительному этапу производства — сборке машины. Важность сборки объясняется тем, что ее результаты в значительной мере определяют и производственно-техническое, и эксплуатационное качество машины. В основах технологии машиностроения рассматривают как разработку ТП сборки, так и их автоматизацию; устанавливают связь этапов изготовления деталей и сборки машин и их общее влияние на качество машины.
    Технология машиностроения как наука и учебная дисциплина прошла долгий путь развития. Ее фундамент был заложен трудами русских ученых И.А. Тиме и А.П. Гавриленко, а научные основы, нашедшие прямое отражение в ней как в учебной дисциплине были сформированы в исследованиях А.П. Соколовского, В.М. Кована, В.С. Корсакова, А.А. Маталина, Б.С. Балакшина, Ф.С. Демьянюка, А.Б. Яхина, Э.А. Сателя, А.И. Каширина, С.П. Митрофанова, М.П. Новикова, А.В. Подзея, П.И. Ящерицина и многих других ученых. Начиная с 20-х годов XX в., учебная дисциплина «Технология машиностроения» развивалась по многим направлениям, во главе каждого из которых стояли видные ученые, работники промышленных предприятий и исследовательских учреждений. Научные основы технологии машиностроения не утратили своего значения и в XXI в., непрерывно обогащаясь и совершенствуясь.

1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ




1.1. ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

   Машина — это механическое устройство, выполняющее движения для преобразования энергии, материалов и информации в целях замены или облегчения физического и умственного труда человека. В зависимости от функционального назначения машины бывают энергетические (генераторы, двигатели электрические, внутреннего сгорания, газотурбинные и т. д.), технологические (металлорежущие станки, литейные машины, кузнечно-прессовое оборудование, прокатные станы и т. д.), транспортные (автомобили, самолеты, тракторы, тепловозы и т. д.) и информационные (измерительные, контрольно-управляющие, вычислительные и т. д.).
   Совокупность свойств, обусловливающих пригодность машины выполнять требуемые функции в заданном диапазоне изменения условий эксплуатации, называется ее качеством (эксплуатационным качеством). Оно характеризуется системой показателей, установленных действующими стандартами, и формируется на всех этапах жизненного цикла машины (рис. 1.1).
   На этапе маркетинга устанавливают основные технические требования к идеальной, конкурентоспособной машине, востребованной на рынке и в известной перспективе, а также предполагаемый объем и продолжительность ее выпуска.
   При разработке конструкции машины определяют отражаемые в конструкторской документации производственно-технические показатели ее качества и технические требования на изготовление. Эти требования также относятся к идеальной машине, однако они подтверждены необходимыми проектными расчетами, результатами научно-исследовательских и опытно-



9

Техническая помощь в обслуживании

Реализация и распределение

Монтаж и эксплуатация

Утилизация после использования

ТПП

Производство

Упаковка и хранение

Контроль, проведение испытаний и обследований

Материально-техническое обеспечение

Потребитель

(заказчик)

Изготовитель

(поставщик)

Рис. 1.1. Жизненный цикл машины

Маркетинг

Разработка конструкции

конструкторских работ. Машины, при разработке конструкций которых длительность этих работ и затраты на их проведение составляют более половины длительности и затрат на разработку, называют наукоемкими. Качество будущей машины стремятся обеспечить выбором рациональных конструктивных схем и эффективных рабочих процессов, использованием современных методов расчетов, выбором материалов. При этом применяют подтвержденные испытаниями оригинальные конструкторские, а также стандартные и унифицированные решения, выполняют необходимые расчеты размерных цепей.
   В конструкторской документации устанавливают производственно-технические показатели как машины в целом, так и ее элементов. В частности, для деталей это показатели геометрической формы (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей), качества поверхностного слоя (волнистость, шероховатость, физико-механические свойства), физикомеханических свойств материала (прочность, твердость и т. д.).
   Технические требования и производственно-технические показатели качества должны быть обеспечены при изготовлении машины.
   При ТПП машины на основе заданных производственнотехнических показателей с учетом имеющихся ресурсов при

10