Технология машиностроения

Ш. А. БУРЧАКОВ







                ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ





Учебное пособие

























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.9
ББК 34.5
     Б91


Рецензенты:
кандидат технических наук, профессор кафедры энергетического машиностроения Казанского государственного
энергетического университета А. В. Титов;
кандидат технических наук, главный конструктор научно-производственного предприятия «Авиатехника» Б. А. Кеселъ




     Бурчаков, Ш. А.
Б91 Технология машиностроения : учебное пособие / Ш. А. Бурчаков. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 320 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1204-9

           Изложены теоретические и практические вопросы изготовления деталей машин. Рассмотрены вопросы точности партии деталей, простановки размеров, включая зависимые допуски, расчёт операционных размеров на основе размерного анализа технологического процесса. Изложены технологические процессы формирования качества поверхностного слоя: методы поверхностно-пластической деформации, обработка свободным абразивом. Рассмотрены процессы электроэрозионной и электрохимической размерной обработки. Представлены справочные материалы для выполнения лабораторных работ и практических занятий.
           Для студентов, обучающихся по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль подготовки: «Энергетика теплотехноло-гий» по дисциплине «Технология машиностроения».


УДК 621.9
                                                                      ББК 34.5







ISBN 978-5-9729-1204-9

     © Бурчаков Ш. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

1.1. Термины и определения. Точность в машиностроении

1.1.1. Термины и определения

    Технология машиностроения - это наука об изготовлении машин требуемого качества в установленном производственной программой количестве в заданные сроки при наименьших затратах труда и наименьшей себестоимости.
    Слово «технология» происходит от двух греческих слов: «techne» - мастерство и «logos» - наука. Говоря иначе, технология - наука о мастерстве, о способах производства различных изделий.
    Технология машиностроения является комплексной инженерной дисциплиной и базируется на дисциплинах инженерная графика, материаловедение, детали машин, теория резания, металлорежущие станки, инструменты, допуски и технические измерения, техническая физика, и ряд других общетехнических наук.
    Вместе с тем, технология машиностроения это прикладной наукой. Объектом технология машиностроения является машиностроительное производство. Машиностроительное производство - производство с преимущественным применением методов технологии машиностроения при выпуске изделий (ГОСТ 14004-83).
    В машиностроении различают производственный и технологический процессы. Производственный процесс представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, в результате которых исходные материалы и полуфабрикаты превращаются в изделия.
    Технологический процесс - часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда (ГОСТ 3.1109-82).
    В соответствии с ГОСТ14.004-83 [53], в зависимости от широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий, современное производство подразделяется на различные типы - единичное, серийное (мелко-, средне- и крупносерийное) и массовое. Тип производства характеризуется коэффициентом закрепления операций: Кзо = P/О, где Р - число рабочих мест, на которых выполняют технологические операции; О - число технологических операций. Коэффициент закрепления операций, в соответствии с ГОСТ 3.1121-84 [54], принимают для массового производства равным 1, для

3

крупносерийного производства - свыше 1 до 10 включительно, для среднесерийного производства - свыше 10 до 20 включительно; для мелкосерийного производства - свыше 20 до 40 включительно. Единичное производство коэффициентом закрепления операций не нормируется. Оно определяется самим характером производства.
    Единичное производство - производство, характеризуемое малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как правило, не предусматривается [53].
     Для единичного производства характерны следующие основные технологические признаки: широкая номенклатуры изготовляемых или ремонтируемых изделий; малым объемом выпуска изделий; использование универсального оборудования и технологической оснастки; расположение оборудования по технологическим группам (токарный, фрезерный, сверлильный, зуборезный и т. п.). На рабочих местах выполняются разнообразные технологические операции; заготовки в процессе обработки переходят с одного участка на другой; заготовки невысокой точности с большими припусками (литье в землю, горячий прокат, поковки); требуемая точность достигается методом пробных ходов и промеров с использованием разметки; широко применяется пригонка по месту; квалификация рабочих очень высокая; технологический процесс обработки деталей в единичном производстве, как правило, не разрабатывается подробно, а ограничивается установлением перечня операций с указанием станков, приспособлений и инструментов; применяется опытно-статистическое нормирование труда. Изделия изготавливаются по спецзаказам не для широкого потребления. Примерами является производство турбин для гидроэлектростанций, атомных реакторов, шагающих экскаваторов, ледоколов.
    Серийное производство - производство, характеризуемое изготовлением или ремонтом изделий периодически повторяющимися партиями [53]. Примерами таких изделий являются станки, авиационные двигатели, большегрузные автомобили, компрессоры и т. п. Серийное производство наиболее распространено в общем и среднем машиностроении: до 80 % продукции машиностроения это продукция серийного производства.
    В зависимости от количеств деталей или изделий в серии производство условно делят на мелко-, средне- и крупносерийное. Для серийного производства характерно: использование универсального, с ЧПУ и специализированного оборудования; применение нормального и специального режущего и измерительного инструмента; употребление специализированных приспособлений и частично разметки; внедрение полной и частичной взаимозаменяемости и до полного сокращения пригоночных работ; нормирование припусков; разработка детальных технологических процессов (маршрутных или маршрутно

4

операционных); наличие технического нормирования. При серийном производстве целесообразно применять предметную форму организации производства (участки обработки корпусных деталей, валов, втулок, зубчатых колес и т. п.). Станки располагаются в последовательности выполнения технологических операций, заготовки на каждом станке обрабатываются партиями. После обработки партия заготовок поступает к следующему станку или на промежуточный склад. В условиях среднесерийного производства оборудование может быть расположено в последовательности выполнения технологического маршрута с оснащением оборудования групповыми наладками оснастки с возможностями ее переналадки.
     Массовое производство - характеризуется большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых продолжительное время, в течение которого на большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция [53].
    Массовое производство свойственно для автомобильной, автотракторной и шарикоподшипниковой промышленности, сельскохозяйственного машиностроения, приборостроения и др. Для него характерно:
    •      выполнение на каждом рабочем месте только одной закрепленной за ним периодически повторяющейся операции;
    •      использование специального и специализированного высокопроизводительного оборудования (станков-автоматов), которое расставляется по поточному принципу (т. е. по ходу технологического процесса) и во многих случаях связывается транспортирующими устройствами и конвейерами (применение агрегатных, автоматических и специальных станков, а также автоматических, роторных и роторно-конвейерных линий);
    •      применение высокопроизводительных приспособлений специального назначения; наличие полной взаимозаменяемости и отсутствие разметки;
    •      разработка подробного технологического процесса и ведение точного нормирования;
    •      использование точных индивидуальных исходных заготовок с минимальными припусками на механическую обработку (литье под давлением и точное литье, горячая объемная штамповка и прессовка, калибровка и т. п.). На настроенных станках и автоматах работают рабочие-операторы сравнительно низкой квалификации. Одновременно в цехах трудятся высококвалифицированные наладчики станков, специалисты по электронной технике и пневмогидроавтоматике. Массовое производство возможно и экономически выгодно при выпуске большого количества деталей, конструкция которых не меняется в течение длительного срока (3-4 года и более).

5

1.1.2. Точность в машиностроении


    Основные показатели качества машин определяются точностью их изготовления. Точность в машиностроении - это степень соответствия изготовляемых изделий (деталей, узлов, машин, приборов) заранее установленным параметрам, задаваемым чертежом, техническими условиями, стандартами. Точность это качественный показатель, т. е., говоря о точности, употребляют выражения «высокая точность», «низкая точность» ит.д.В процессе изготовления деталей и сборки узлов и машин неизбежны погрешности, поэтому достижение абсолютной точности невозможно. Далее будем рассматривать вопросы технологии деталей. Действительные отклонения (разность) параметров реальной детали от их заданных номинальных значений называют погрешностями изготовления. Погрешность - количественный показатель точности. Различают точность и погрешность размера, формы и взаимного расположения элементов детали относительно друг друга (ГОСТ 2.308-79, ГОСТ 24642-81, ГОСТ 24643-81). Самостоятельно определяется точность детали по шероховатости поверхности.
    К факторам, определяющим возможность возникновения погрешностей при механической обработке, относят: точность станков, приспособлений, инструмента; жесткость технологической системы СПИД, тепловое состояние звеньев технологической системы; размерный износ режущего инструмента; погрешность установки заготовки на станке; установку размера обработки; внутренние напряжения в материале заготовки и детали, неравномерность припуска и другие первичные погрешности.
    При механической обработке различных деталей на металлорежущих станках различают достижимую и экономическую точность для данного способа обработки и типа станка. Достижимой является максимальная точность, которая может быть обеспечена при обработке заготовок без ограничения времени и материальных затрат при благоприятных условиях рабочим высокой квалификации на соответствующем станке. Обеспечение такой точности связано с большими затратами и, как следствие, повышение точности механической обработки приводит к увеличению себестоимости ее изготовления. Область применения - опытное и ремонтное производство. Каждому способу механической обработки соответствуют определенные пределы точности, ограничивающие экономическую целесообразность его реализации.
    Экономической называют точность при данном способе механической обработки с учетом программы выпуска, которую можно получить в нормальных производственных условиях при обеспечении высокой производительности и стоимости обработки, не превышающей стоимости обработки при других возможных сопоставимых способах. Экономическая точность используется при

6

назначении технологических допусков. Значения экономической точности механической обработки поверхностей различными способами приводятся в технологических справочниках. Каждому способу обработки соответствует свой экономический квалитет точности, например, черновая обработка - 13-15-й квалитеты, чистовая - 6-8-й, отделочная - меньше 6-го.
    Погрешности размеров деталей регламентируются предельными отклонениями в соответствии с системой допусков. Точность деталей машин определяет технологию их изготовления, сборки, а также влияет на выбор измерительных средств.
    Степень точности называется квалитет (quality - качество). Квалитет (степень точности, standard tolerance grade) - совокупность допусков, рассматриваемых как соответствующие одному уровню точности для всех номинальных размеров [58].
    Допуск определяется по зависимости


T = ai,

где а - коэффициент, зависящий от квалитета. Чем больше квалитет, тем больше а; i - единица допуска, которая увеличивается с увеличением размера D [32]; i = 0,453D + 0,001 D.
     Тогда следует, что при одной степени точности (одного квалитета) с увеличением размера допуск увеличивается. Физически это объясняется тем, что чем больше размер, тем труднее его выполнить с той же погрешностью, что и меньший размер. Другими словами, выполнение Di > D2 c одинаковой погрешностью означает, что Di выполнено точнее D2.
     Различают точность одной детали и точность партии деталей. Точность одной детали, с учетом номинального размера, измеряется ее погрешностью, а партии деталей - полем рассеивания размеров и мерой положения поля рассеивания. Так как мера положения поля рассеивания размеров при изготовлении деталей на станках поддается регулированию, то принято точность партии деталей определять по полю рассеивания размеров, которое находится как разница между максимальным и минимальным размерами.
     Требуемая точность механической обработки может быть обеспечена методом пробных рабочих ходов и методом автоматического получения размера на предварительно настроенном станке. При первом методе рабочий, затрачивая довольно много времени, несколькими пробными проходами и измерениями добивается требуемой точности, причем точность обработки будет зависеть главным образом от опыта и искусства рабочего. В связи с перечисленными не

7

достатками метод пробных промеров и ходов используется, как правило, при единичном или мелкосерийном производстве изделий, в опытном производстве, а также в ремонтных и инструментальных цехах. Особенно часто этот метод применяется в тяжелом машиностроении. При серийном производстве этот метод находит применение для получения годных деталей из неполноценных исходных заготовок («спасение» брака по литью и штамповке). В условиях крупносерийного и массового производства метод пробных ходов и промеров используется главным образом при шлифовании, так как позволяет без труда компенсировать износ абразивных инструментов, часто протекающий неравномерно и вызывающий потерю точности обработки. При повышении качества абразивов и достижении их однородности, а также при создании систем автоматической компенсации износа кругов метод пробных ходов и промеров должен быть вытеснен также и из шлифовальных операций.
    Метод автоматического получения размеров основан на предварительной настройке станка на определенный размер с применением соответствующих режущих инструментов и специальных приспособлений. При этом методе точность обработки будет зависеть в основном от точности настройки станка и погрешностей, присущих данному методу обработки. Метод применяется на станках с ручным управлением и ЧПУ. Этот способ производителен и используется в серийном и массовом производствах.
    Все элементарные (первичные) погрешности при механической обработке можно разделить на систематические и случайные. Систематической называют такую погрешность, которая для всех деталей рассматриваемой партии остается постоянной или же закономерно изменяется при переходе от каждой обрабатываемой детали к следующей. Если биение развертки приводит к разбивке (увеличению отверстия детали), то эта погрешность будет примерно одинаковой у всех деталей данной партии, т. е. будет систематической. Систематическая постоянная может возникать также, например, при обработке отверстий в случае, если ось шпинделя сверлильного станка не перпендикулярна плоскости стола, на котором установлена заготовка. Тогда ось отверстия не будет перпендикулярна к торцевой поверхности детали. Пробными измерениями нескольких обработанных деталей эти погрешности выявляются и соответствующими мероприятиями сводятся к минимуму или устраняются. Систематические закономерно изменяющиеся (переменные) погрешности влияют на точность или непрерывно, или периодически. Например, непрерывное влияние оказывает размерный износ режущего инструмента. Знание закона изменения этих погрешностей позволяет устранить их или уменьшить.
     Случайной называется такая погрешность, которая для различных деталей рассматриваемой партии будет иметь различные значения, причем ее возникно

8

вение не подчиняется видимой закономерности. Например, при обтачивании партии заготовок появятся погрешности по наружному диаметру из-за колебания припуска на обработку, нестабильности твердости и состояния обрабатываемого материала, из-за неточности станка, приспособлений и т. п. Такие погрешности будут случайными. Наличие случайных погрешностей приводит к рассеянию размеров деталей, т. е. одноименные размеры различных деталей рассматриваемой партии не совпадают между собой. От случайной погрешности необходимо отличать погрешности, обусловленные грубыми ошибками, например, неправильной установкой инструмента.
    Суммировать погрешности необходимо по следующим правилам: систематические погрешности складываются алгебраически, систематическая погрешность со случайной - арифметически, случайные погрешности - квадратично. Арифметическая сумма является наибольшей и предельной. Она больше или равна алгебраической сумме. Арифметическая сумма больше квадратичной суммы, что следует из теоремы Пифагора.
    Определение точности обработки является сложной задачей. Для ее решения применяют расчетно-аналитический и статистический методы. Расчетноаналитический метод базируется на исследовании факторов, вызывающих первичные погрешности обработки. Достоинством этого метода является то, что можно выявить факторы, вызывающие первичные погрешности, и наметить пути их уменьшения. Расчетно-аналитический метод предполагает проводить оценку точности по аналитическим или эмпирическим формулам для сугубо определенных условий выполнения технологического процесса. Метод позволяет учитывать физические явления в рассматриваемом процессе; выявлять причины образования погрешностей, но недостаток необходимых расчетных формул для разнообразных конкретных процессов ограничивает практическое применение этого метода.
    Статистический метод позволяет оценить действие в данной операции сразу всей совокупности факторов. При этом нет необходимости проводить эксперименты по выявлению влияния отдельных факторов на точность обработки; достаточно на основе непосредственного наблюдения на производстве по данному геометрическому параметру измерить партию деталей. Каждый из этих методов имеет свою область применения, и они не исключают, а, наоборот, дополняют друг друга.
Одной из погрешностей при обработке детали является погрешность, обусловленная упругими отжатиями технологической системы. Упругие отжатия определяются жёсткостью оборудования.
    В качестве примера, рассмотрим определение жёсткости токарного станка производственным методом.

9

    Для выполнения заданных функций металлообрабатывающее оборудование должно быть прочным, жестким и устойчивым.
    Прочность - это способность конструкции (или материала) - сопротивляться пластическим деформациям и разрушениям под действием приложенных к ней нагрузок.
    Расчет на прочность - определение предельной нагрузки на элемент, при превышении которой происходит его разрушение. Под нарушением прочности понимается не только разрушение конструкции, но и возникновение в ней больших пластических деформаций.
    Жесткость - это способность конструкции (или материала) сопротивляться упругим деформациям при внешнем воздействии. Целью расчета на жесткость является определение нагрузок и размеров деталей, при которых исключается возможность появления недопустимых с точки зрения нормальной работы конструкции деформаций (прогибов, удлинений, углов поворота).
    Устойчивость - это способность конструкции сохранять положение равновесия, отвечающее действующей на нее нагрузке.
    Согласно условию прочности максимальные действительные напряжения, возникающие вследствие действия внешних сил, не должны превышать допускаемых. По условию жесткости должны быть ограничены величины деформаций: абсолютная или относительная действительная деформация не должна превышать допускаемую.
    Допустимые деформации деталей ограничивают упругими деформациями. Так как величины допускаемых напряжений определяются величиной допустимых деформаций, при расчетах обычно используют условие прочности, которое включает в себя условие жесткости.
    Актуальность критерия жесткости непрерывно возрастает, так как совершенствование материалов идет по линии увеличения прочностных характеристик, а модуль упругости остается без изменения. Недостаточная жесткость и связанные с ней повышенные деформации могут вызвать потерю работоспособности конструкции по различным причинам. Например, для валов деформации изгиба и кручения превышающие норму приводят к неравномерному распределению нагрузки по длине зубьев, а цапфы вала перекашиваются в опорах, что ведет к ухудшению условий работы подшипников, неравномерному износу вкладышей. Недостаточная жесткость корпусных деталей нарушает взаимодействие размещенных в них механизмов, вызывая повышенное трение и износ в кинематических парах, появление вибраций. Недостаточная жесткость валов и опор зубчатых передач изменяет нормальное зацепление колес, что приводит к быстрому усталостному выкрашиванию и износу их рабочих поверхностей. В металлообрабатывающих станках, выполняющих точные операции, недоста

10