Структура и методика выполнения курсовой работы по технологии машиностроения

Введение в проект

Курсовой проект по технологии машиностроения — это не просто учебная формальность, а ключевой этап, на котором теоретические знания инженера-технолога проходят проверку практикой. Это симуляция реальной производственной задачи, где от правильности принятых решений зависит качество, стоимость и трудоемкость изготовления будущего изделия. Универсальная цель такой работы — разработать оптимальный технологический процесс изготовления детали в заданных производственных условиях.

Чтобы наглядно продемонстрировать каждый шаг, мы будем использовать сквозной пример — разработку технологии для детали «Вал». Это классическая деталь типа «тело вращения», которая широко применяется в машиностроении для передачи крутящего момента и поддержки вращающихся элементов. Ее пример показателен, так как включает в себя большинство типовых операций механической обработки.

Фундаментальным условием нашего проекта является мелкосерийный тип производства. Этот фактор кардинально влияет на выбор заготовки, оборудования и степень автоматизации процесса, направляя нас в сторону универсальных решений, а не узкоспециализированной оснастки.

Фундамент любого инженерного проекта — это глубокое понимание исходных данных. Именно с этого мы и начнем наш путь.

Основа успеха — это тщательный анализ исходных данных

Чертеж детали — это главный язык инженера. Прежде чем принимать какие-либо технологические решения, необходимо научиться «читать» его не как картинку, а как исчерпывающий технический документ. Анализ исходных данных проводится в несколько последовательных шагов:

1. Идентификация детали и материала. В нашем случае это «Вал», изготовленный из Стали 45 — конструкционной углеродистой качественной стали. Свойства этого материала (прочность, твердость, обрабатываемость) напрямую влияют на выбор режущего инструмента и режимов резания.
2. Анализ геометрических параметров. Изучаются все размеры, их допуски, а также требования к взаимному расположению поверхностей. Например, жесткий допуск на диаметр посадочной шейки вала потребует чистовой, а возможно, и отделочной операции, такой как шлифование.
3. Требования к шероховатости поверхностей. Параметр Ra (среднее арифметическое отклонение профиля) указывает на финальное качество поверхности. Низкие значения Ra (например, 0.63) достижимы только шлифованием или полированием.
4. Специальные технические требования. Необходимо обратить особое внимание на указания о термической обработке (например, закалка с последующим отпуском для повышения твердости шеек) или нанесении покрытий (хромирование, цинкование). Эти операции являются полноценными этапами технологического процесса.

На основе этого комплексного анализа делается вывод о технологичности конструкции. Наш «Вал» является достаточно технологичной деталью: он не имеет сложных криволинейных поверхностей, удобен для закрепления в патроне станка и обеспечивает свободный доступ режущего инструмента ко всем обрабатываемым поверхностям. Теперь, когда мы полностью понимаем, что нам нужно изготовить, необходимо решить, из чего мы будем это делать. Выбор заготовки — следующий стратегически важный шаг.

Как выбор заготовки определяет весь дальнейший процесс

Выбор метода получения заготовки — это первое ключевое экономическое и технологическое решение. От него зависят объем последующей механической обработки, количество отходов материала и, в конечном счете, себестоимость детали. Для деталей типа «Вал» существует три основных варианта:

• Литье: Получение заготовки путем заливки расплавленного металла в форму. Экономически оправдано в крупносерийном и массовом производстве из-за высокой стоимости литейной оснастки.
• Поковка (штамповка): Получение заготовки путем пластической деформации нагретого металла. Позволяет получить форму, близкую к готовой детали, и улучшить механические свойства материала, но требует дорогостоящих штампов.
• Сортовой прокат: Использование стандартного металлического прутка круглого сечения. Это наиболее простой и дешевый метод для единичного и мелкосерийного производства, так как не требует изготовления специальной оснастки.

Для наших условий мелкосерийного производства «Вала» оптимальным выбором является сортовой прокат. Мы просто отрезаем от прутка нужной длины заготовку.

При этом необходимо учесть припуски на механическую обработку — слой металла, который будет удален в процессе обработки для достижения точных размеров и требуемой шероховатости, указанных на чертеже. Расчет припусков для каждой поверхности вала позволяет определить минимально необходимый диаметр исходного прутка проката. Этот выбор напрямую влияет на коэффициент использования материала (КИМ) — один из важнейших показателей эффективности техпроцесса. Определив исходную точку (заготовку) и конечную (готовая деталь по чертежу), мы можем проложить между ними маршрут. Этот маршрут и есть суть технологического процесса.

Проектируем маршрут изготовления как основную логику проекта

Маршрутный технологический процесс — это скелет всего производства, логическая последовательность операций, которая превращает бесформенную заготовку в готовую деталь. Основой для построения маршрута является правильный выбор технологических баз — поверхностей, которые используются для ориентации и фиксации детали при обработке. Для нашего вала в качестве установочных баз на большинстве операций будут использоваться центровые отверстия в торцах, которые обеспечивают точное и стабильное базирование.

Последовательность операций для «Вала» будет строиться по классическому принципу «от общего к частному» и «от чернового к чистовому»:

1. Отрезная операция. Отрезка заготовки нужной длины от прутка сортового проката.
2. Центровальная операция. Сверление центровых отверстий в торцах заготовки для дальнейшего базирования.
3. Черновая токарная обработка. Снятие основной части припуска со всех наружных цилиндрических поверхностей. Цель — получить основную геометрию, не заботясь о высокой точности.
4. Фрезерная операция. Фрезерование шпоночных пазов. Эту операцию целесообразно выполнять до термообработки, пока материал еще достаточно мягок.
5. Термическая обработка (если требуется по чертежу). Например, закалка и средний отпуск для повышения твердости и износостойкости шеек вала.
6. Чистовая токарная обработка. Обработка поверхностей для достижения размеров и допусков, близких к финальным. Часто выполняется для исправления небольших деформаций после термообработки.
7. Чистовая шлифовальная обработка. Финальная обработка наиболее точных и ответственных поверхностей (например, посадочных шеек под подшипники) для достижения окончательных размеров, допусков и требуемой низкой шероховатости.

Такая последовательность аргументирована тем, что более грубые операции выполняются вначале, а отделочные, требующие высокой точности, — в конце. Общий маршрут готов. Теперь необходимо погрузиться в детализацию каждого этапа, превратив его из строки в карте в подробную инструкцию для исполнителя.

Детализируем маршрут через разработку операционного процесса

Если маршрут — это стратегия, то операционный процесс — это тактика. Здесь каждая операция из маршрута расписывается на конкретные действия. Для этого создается операционная карта, которая включает эскиз, переходы и режимы резания. Возьмем для примера операцию «Черновая токарная обработка».

На операционном эскизе для этой операции изображается заготовка, указываются поверхности, которые нужно обработать именно на этом этапе, проставляются размеры, которые нужно получить, и обозначаются технологические базы (в нашем случае — центровые отверстия). Это визуальная инструкция для токаря.

Далее операция разбивается на технологические переходы — законченные действия, выполняемые одним инструментом при неизменных режимах резания. Для нашей токарной операции это может быть:

• Переход 1: Подрезать торец А.
• Переход 2: Обточить наружный диаметр Ø60 мм на длину 100 мм.
• Переход 3: Обточить наружный диаметр Ø50 мм на длину 50 мм.
• Переход 4: Подрезать торец Б в размер 150 мм.

Ключевой инженерной задачей на этом этапе является назначение режимов резания для каждого перехода. Это выбор трех главных параметров: глубины резания (t, мм), подачи (S, мм/об) и скорости резания (V, м/мин). Их выбор — это всегда компромисс. Большая глубина и подача увеличивают производительность, но снижают точность и стойкость инструмента. Выбор конкретных значений производится на основе справочных данных с учетом материала детали, инструмента, жесткости станка и требуемого качества поверхности.

Мы детально описали, что и как делать. Но чтобы это стало возможным, необходимо выбрать, чем мы будем это делать. Следующий шаг — подбор оборудования и оснастки.

Подбираем правильное оборудование и оснастку для воплощения чертежа в металле

Обоснованный выбор оборудования и технологической оснастки является гарантией того, что разработанный техпроцесс будет реализуем на практике. Подбор осуществляется под конкретные операции, определенные на предыдущих этапах.

Для нашего «Вала» потребуется следующий парк универсального оборудования, что характерно для мелкосерийного производства:

• Токарно-винторезный станок: На нем будут выполняться все токарные операции — от подрезки торцов и черновой обточки до нарезания канавок и чистовой обработки.
• Вертикально-фрезерный станок: Необходим для фрезерования шпоночного паза.
• Круглошлифовальный станок: Используется для финальной обработки точных посадочных шеек вала для достижения высокой точности размеров и низкой шероховатости.

Не менее важен выбор технологической оснастки, которая включает в себя режущий инструмент и приспособления.

1. Режущий инструмент. Для токарных операций потребуются различные резцы: проходной упорный (для обточки и подрезки торцов), отрезной (для отрезки заготовки), канавочный. Для фрезерования паза будет использоваться шпоночная фреза соответствующего диаметра.
2. Приспособления. Это устройства для фиксации заготовки и инструмента. Для токарного станка основным приспособлением будет трехкулачковый патрон и задний центр для установки вала в центрах. На фрезерном станке заготовка будет закрепляться в машинных тисках.

Главное назначение оснастки — это надежная фиксация заготовки и точное направление инструмента, что в совокупности обеспечивает требуемую точность обработки. Технология разработана, оборудование выбрано. Теперь необходимо подкрепить наши решения точными инженерными расчетами, доказывающими их состоятельность.

Обосновываем принятые решения с помощью инженерных расчетов

Инженерные расчеты — это математическое подтверждение правильности выбранных технологических режимов и основа для экономического анализа. В курсовой работе по технологии машиностроения ключевыми являются два вида расчетов.

1. Расчет режимов резания.
Этот расчет выполняется для каждой операции. Для примера с токарной обработкой он выглядит так:

• Глубина резания (t): Назначается максимально возможной по жесткости системы и мощности станка, обычно весь припуск на черновой обработке снимается за один или два прохода.
• Подача (S): Выбирается по справочным таблицам в зависимости от материала инструмента, требуемой шероховатости и других условий.
• Скорость резания (V): Рассчитывается по эмпирической формуле, которая учитывает множество факторов (материал, инструмент, подачу, глубину, период стойкости инструмента).
• Частота вращения шпинделя (n, об/мин): Рассчитывается на основе найденной скорости резания и диаметра обработки, а затем принимается ближайшее паспортное значение для выбранного станка.

2. Расчет норм времени.
Этот расчет позволяет определить, сколько времени займет изготовление одной детали. Штучное время (Тшт) — это основная величина, которая складывается из:

• Основного технологического времени (То): Время непосредственного контакта инструмента с заготовкой. Рассчитывается на основе длины обработки, подачи и частоты вращения.
• Вспомогательного времени (Тв): Время, затрачиваемое на установку и снятие детали, смену инструмента, измерения.
• А также времени на обслуживание рабочего места и перерывы.

Эти расчеты необходимы для определения производительности процесса, планирования загрузки оборудования и, что самое важное, для последующего расчета себестоимости изделия. Мы спроектировали процесс и доказали его расчетным путем. Но любой производственный процесс немыслим без системы, гарантирующей соответствие результата чертежу.

Как мы будем обеспечивать качество готовой детали

Раздел контроля качества описывает, как мы будем проверять соответствие изготовленной детали требованиям чертежа. Контроль является неотъемлемой частью технологического процесса и делится на два основных вида:

• Операционный контроль: Проводится после выполнения каждой ответственной операции. Например, после чистовой обточки шейки вала контролер (или сам рабочий) должен проверить ее диаметр, не снимая деталь со станка или сразу после снятия. Это позволяет вовремя обнаружить брак и избежать его передачи на следующие, более дорогие операции.
• Приемочный контроль: Это финальная проверка полностью готовой детали на соответствие всем требованиям чертежа перед отправкой на склад или сборку.

Для наглядности и систематизации процесса контроля составляется карта или таблица контроля, где для каждого важного параметра указывается метод и средство измерения.

Пример карты контроля для детали «Вал»

Контролируемый параметр	Средство измерения	Вид контроля
Общая длина вала 150±0,5 мм	Штангенциркуль ШЦ-I	Приемочный
Диаметр шейки Ø50h7	Микрометр гладкий МК 50-75	Операционный и приемочный
Шероховатость поверхности Ra 0.8	Профилометр или образцы сравнения	Приемочный

Выбор измерительного инструментария критически важен: для размеров с большими допусками достаточно штангенциркуля, в то время как для точных посадочных поверхностей необходимо использовать микрометр. Наш технологический процесс практически завершен. Осталось оценить его с двух важнейших нетехнических позиций: экономической эффективности и безопасности.

Экономическое и безопасное обоснование ваших технических решений

Любой, даже самый совершенный технологический процесс, не имеет смысла, если он экономически невыгоден или небезопасен для человека и окружающей среды. Поэтому эти разделы являются обязательной частью инженерной проработки.

Экономическое обоснование. В этом разделе рассчитывается себестоимость изготовления детали. Она складывается из затрат на основной материал (с учетом КИМ), расходов на заработную плату основных рабочих (рассчитывается на основе норм времени), амортизации оборудования, затрат на электроэнергию, инструмент и т.д. Именно здесь становится очевидной связь ранее принятых решений (выбор заготовки, назначение производительных режимов резания) с итоговой ценой изделия.

Охрана труда. Цель этого раздела — обеспечить безопасность рабочего в процессе выполнения операций. Для токарных и фрезерных работ описываются основные риски: отлетающая горячая стружка, вращающиеся части станка, режущие кромки инструмента. Обязательно указывается на необходимость использования средств индивидуальной защиты (СИЗ): защитных очков, спецодежды, а также на исправность защитных экранов и ограждений оборудования.

Экологическая безопасность. Кратко рассматриваются вопросы, связанные с воздействием производства на окружающую среду. В первую очередь это касается утилизации отходов: металлической стружки, которая отправляется на переплавку, и отработанной смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая подлежит специальной очистке. Мы прошли весь путь от чертежа до готовой, проверенной, экономически и безопасно обоснованной технологии изготовления детали. Время подвести итоги и сформулировать выводы.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта был пройден полный цикл инженерно-технологической подготовки производства для изготовления детали «Вал» в условиях мелкосерийного производства. Это позволило на практике закрепить ключевые профессиональные компетенции.

В результате проделанной работы были выполнены следующие основные этапы:

• Проведен комплексный анализ исходных данных чертежа детали.
• Обоснован выбор заготовки (сортовой прокат) как наиболее оптимальный для заданного типа производства.
• Разработан маршрутный и операционный технологический процесс, включающий последовательность операций механической обработки.
• Подобрано необходимое обору��ование, режущий и измерительный инструмент.
• Выполнены инженерные расчеты режимов резания и норм времени, подтверждающие техническую реализуемость и эффективность проекта.

Главный вывод заключается в том, что был разработан комплексный, логически обоснованный и документально оформленный технологический процесс, полностью обеспечивающий изготовление детали «Вал» в соответствии с требованиями конструкторской документации.

В качестве возможного пути дальнейшей оптимизации процесса при увеличении серийности можно рассмотреть переход на станки с ЧПУ, что позволит повысить производительность и стабильность качества обработки.

Список использованной литературы

1. Основы технологии машиностроения: Метод, указания к выполнению курсо¬вой работы для бакалавров направления 151900 / НГТУ; 2015. — 26 с.
2. ГОСТ 2.111. ЕСКД. Нормоконтроль.
3. ГОСТ 2.305. ЕСКД. Изображения – виды, разрезы, сечения.
4. ГОСТ 2.309. ЕСКД. Изображения шероховатости поверхностей.
5. ГОСТ 2.316 ЕСКД. правила нанесения надписей, технических требований и таблиц на графических документах.
6. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А. А. Панов, В. В. Аникин, Н. Г. Бойм и др.; Под общ. ред. А. А. Панова. – М.: Машиностроение, 1988. – 736с.
7. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1 / Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985 – 656с.
8. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985 – 496с.
9. Кузнецов Ю.И., Маслов А.Р., Байков А.Н. Оснастка для станков с ЧПУ: Справочник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 512 с.