Разработка прогрессивного технологического процесса изготовления детали «Конусная втулка» на станке с ЧПУ

В условиях стремительной цифровизации и повышения требований к качеству продукции, современное машиностроение переживает глубокую трансформацию. Переход от универсального оборудования к станкам с числовым программным управлением (ЧПУ) является не просто эволюционным шагом, а фундаментальным изменением парадигмы производства, обусловленным необходимостью повышения точности, снижения ресурсоемкости, сокращения сроков изготовления и минимизации человеческого фактора. Именно поэтому разработка технологических процессов, адаптированных под возможности ЧПУ, становится ключевым элементом конкурентоспособности предприятий.

Целью данной курсовой работы является разработка детального, экономически обоснованного и прогрессивного технологического процесса изготовления детали «Конусная втулка» с использованием современного оборудования с ЧПУ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ конструкции детали и определить тип производства; выбрать рациональный метод получения заготовки с технико-экономическим обоснованием; выбрать и обосновать современное технологическое оборудование; спроектировать маршрутный и операционный технологический процесс с оптимизацией базирования; выполнить аналитический расчет припусков и режимов резания с выбором современного инструмента; провести техническое нормирование и экономическое обоснование разработанного процесса.

Структура работы включает в себя разделы, посвященные анализу детали, выбору заготовки и оборудования, проектированию технологического процесса, расчетам припусков и режимов резания, а также технико-экономическому обоснованию. В заключении будут представлены основные выводы и подтверждение достигнутых целей.

Анализ конструкции детали и выбор типа производства

Деталь «Конусная втулка» представляет собой осесимметричное тело вращения, ключевым элементом которого является прецизионная коническая поверхность. Служебное назначение втулки, как правило, заключается в обеспечении точного центрирования и передачи крутящего момента между сопрягаемыми деталями либо в формировании герметичного соединения. Ее функциональность критически зависит от точности геометрических параметров, таких как углы конуса, диаметры посадочных поверхностей, соосность и биение. Материал детали (например, сталь 40Х) выбирается исходя из требований к прочности, износостойкости и способности воспринимать нагрузки в условиях эксплуатации.

Анализ технологичности конструкции «Конусной втулки» выявляет ряд лимитирующих поверхностей. К ним относятся:

• Коническая поверхность: Является одной из наиболее ответственных, требует высокой точности угла и диаметральных размеров, а также минимальной шероховатости (например, Ra ≤ 1.25 мкм) для обеспечения плотного контакта и заданной посадки, а ее обработка требует специального кинематического согласования перемещений или применения многофункционального оборудования.
• Внутренние цилиндрические поверхности: Часто являются посадочными (например, под вал или ось) и требуют высокой точности диаметров по квалитетам IT6-IT7, а также низкой шероховатости (Ra ≤ 0.8 мкм) для обеспечения точной посадки с натягом или зазором.
• Торцевые поверхности: Должны быть перпендикулярны оси детали и иметь заданную шероховатость (например, Ra ≤ 1.6 мкм) для формирования опорных плоскостей или уплотнений.
• Пазы, отверстия (например, под шпонки или крепеж): Хотя и являются вспомогательными, их точное расположение относительно основных баз критически важно для собираемости узла.

Требуемая точность для таких деталей, как «Конусная втулка», обычно находится в пределах квалитетов IT6–IT9 для основных посадочных поверхностей и IT12–IT14 для свободных размеров. Шероховатость поверхностей (Ra или Rz) варьируется от Ra 0.8–1.6 мкм для чистовых посадочных поверхностей до Ra 3.2–6.3 мкм для необработанных или вспомогательных элементов.

Определение типа производства (единичное, мелкосерийное, среднесерийное, крупносерийное, массовое) базируется на годовой программе выпуска деталей и их массе. Для данной курсовой работы, учитывая необходимость детальной проработки технологического процесса и использования ЧПУ, целесообразно ориентироваться на среднесерийное производство. Среднесерийное производство характеризуется выпуском продукции партиями, что позволяет эффективно использовать преимущества станков с ЧПУ (быстрая переналадка, высокая точность, стабильное качество) при наличии достаточного объема заказов для окупаемости дорогостоящего оборудования и оснастки; например, при годовой программе выпуска в 1000–5000 штук и массе детали до нескольких килограммов, среднесерийное производство является оптимальным, поскольку оно позволяет эффективно балансировать между гибкостью и экономией за счет масштаба.

Выбор рационального метода получения заготовки и технико-экономическое обоснование

Выбор метода получения заготовки является краеугольным камнем в проектировании технологического процесса, напрямую влияющим на коэффициент использования материала, трудоемкость последующей механической обработки и себестоимость детали. Для детали типа «Конусная втулка» с относительно небольшим отношением длины к диаметру (0,5 < L/D < 2) традиционно рассматриваются заготовки из сортового проката (прутка) или литье. Однако современные требования к ресурсосбережению и точности диктуют необходимость применения более прогрессивных методов.

Ключевой тезис: Сравнительный анализ методов получения заготовки (прокат, традиционное литье, высокоточное литье по выплавляемым моделям)

Традиционные методы получения заготовок включают:

1. Сортовой прокат (пруток): Применяется для мелкосерийного и серийного производства. Заготовка вырезается из прутка соответствующего диаметра. Преимущества — простота, доступность материала. Недостатки — значительные припуски на обработку, низкий коэффициент использования материала (К_и.м.), значительный объем стружки. Для стальных втулок из сортового проката К_и.м. обычно составляет 0.55–0.75.
2. Литье в песчано-глинистые формы: Используется для крупных партий или сложных форм. Преимущества — возможность получения сложных форм. Недостатки — низкая точность (IT15–IT17), высокая шероховатость (R_z 160–640 мкм), значительные припуски, К_и.м. составляет 0.5–0.6.

Высокоточное литье (например, по выплавляемым моделям) является значительно более прогрессивным методом. Его отличительной особенностью является использование выплавляемых моделей (из воска или парафина), которые покрываются огнеупорной суспензией, образуя оболочковую форму. После удаления модели и прокаливания формы, в нее заливается металл.

Обоснование выбора высокоточного метода

Преимущества высокоточного литья по выплавляемым моделям неоспоримы, особенно применительно к «Конусной втулке»:

• Высокая точность: Метод позволяет достигать точности размеров до квалитета IT13, что существенно выше, чем при литье в песчаные формы (IT15).
• Низкая шероховатость поверхности: Шероховатость поверхности R_z 20–40 мкм, что на порядок лучше, чем у песчаного литья, и приближается к черновой механической обработке.
• Минимальные припуски: Благодаря высокой точности и низкой шероховатости, высокоточное литье позволяет снизить припуск на механическую обработку на 30–70% по сравнению с традиционным литьем в песчаные формы. Это является критически важным для экономии материала и снижения трудоемкости.

Ключевой тезис: Проанализировать коэффициент использования материала (К_и.м.) (0.8–0.95 при высокоточном литье) и доказать экономическую целесообразность за счет снижения припуска на 30–70%

Коэффициент использования материала (К_и.м.) рассчитывается как отношение массы детали (M_д) к нормативной массе расхода материала (N_р):

Ки.м. = Мд / Nр

Для «Конусной втулки», полученной методом высокоточного литья, К_и.м. может достигать 0.8–0.95. Это означает, что до 95% исходного материала переходит в готовую деталь, что является выдающимся показателем по сравнению с 0.55–0.75 для проката или 0.5–0.6 для традиционного литья. И что из этого следует? Это прямо указывает на существенное сокращение отходов и повышение экологичности производства, так как мы значительно снижаем объем необходимого сырья.

Экономическая целесообразность:

Снижение припуска на 30–70% напрямую влияет на:

1. Экономию металла: Меньший припуск — меньшая масса заготовки, что сокращает расход дорогостоящего материала. Например, для серийного производства тысяч втулок экономия тонн металла будет значительной.
2. Снижение трудоемкости: Меньший объем снимаемого материала означает сокращение времени машинной обработки (меньше проходов, меньше глубина резания). Это приводит к снижению оперативного времени и, как следствие, себестоимости.
3. Увеличение стойкости инструмента: Меньший объем обработки снижает износ инструмента, продлевая его срок службы и сокращая затраты на его замену и переточку.
4. Снижение энергопотребления: Меньшее время работы оборудования на высоких режимах резания приводит к снижению потребления электроэнергии.

Таким образом, выбор высокоточного литья по выплавляемым моделям для получения заготовки «Конусной втулки» является технико-экономически обоснованным прогрессивным решением. Это позволяет получить заготовку с минимальными припусками и высокой начальной точностью, что оптимизирует весь последующий технологический процесс.

Разработка чертежа заготовки с минимальными припусками

На основе выбранного метода (высокоточное литье) разрабатывается чертеж заготовки. Ключевая особенность этого чертежа – максимально приближенные к чистовым размерам детали контуры, с учетом минимально необходимых припусков на механическую обработку. Например, для конических поверхностей припуск может составлять 0.5–1.0 мм на сторону, для внутренних цилиндрических – 0.5 мм, для торцевых – 0.2–0.5 мм. При этом на чертеже заготовки указываются допуски на размеры, соответствующий квалитету IT13, и параметры шероховатости (R_z 20–40 мкм), достижимые при литье. Это обеспечивает основу для последующего аналитического расчета припусков и межоперационных размеров.

Выбор и обоснование современного технологического оборудования

Выбор оборудования для изготовления «Конусной втулки» должен быть продиктован требованиями к точности, производительности, а также экономическим соображениям. В контексте современных требований к машиностроению применение универсальных станков не является рациональным, поэтому переход к ЧПУ диктует использование высокотехнологичных центров.

Ключевой тезис: Выбор горизонтального токарного обрабатывающего центра с ЧПУ (ТОЦ) (например, ST-15LMF) как наиболее оптимального оборудования

Для обработки детали «Конусная втулка», которая является осесимметричным телом вращения с внутренними и наружными коническими и цилиндрическими поверхностями, а также потенциальными дополнительными элементами (пазы, отверстия), наиболее оптимальным выбором является горизонтальный токарный обрабатывающий центр с ЧПУ (ТОЦ).

Преимущества ТОЦ:

• Концентрация операций: Способность выполнять широкий спектр операций (точение, сверление, фрезерование) за один установ.
• Высокая точность: Жесткая конструкция станка, высокоточные приводы и системы обратной связи обеспечивают минимизацию погрешностей.
• Высокая производительность: Автоматическая смена инструмента, высокие скорости обработки и подачи.
• Универсальность: Возможность обработки широкого спектра деталей, быстрая переналадка.

Примером такого оборудования может служить российский ТОЦ ST-15LMF или BEAVERTURN. Эти станки специально разработаны для обработки деталей типа «втулка», «фланец», «вал» в условиях среднесерийного и крупносерийного производства. Типичные паспортные данные для ТОЦ среднего размера, подходящего для втулок, включают: максимальный обрабатываемый диаметр ≤ 200 мм, максимальная длина обработки ≤ 400 мм, частота вращения шпинделя до 4500-6000 об/мин, мощность привода до 7.5-18.5 кВт.

Анализ характеристик ТОЦ

Тезис: Обосновать необходимость наличия оси C и приводного инструмента (M-функция) для обработки пазов/отверстий за один установ, исключая переустановки

Включение оси C и приводного инструмента (M-функции) в функционал ТОЦ является критически важным для «Конусной втулки» и подобных деталей:

• Ось C: Обеспечивает точное угловое позиционирование шпинделя (заготовки) и его вращение как управляемой оси. Это позволяет выполнять фрезерные и сверлильные операции на торце и цилиндрической поверхности заготовки, когда она зажата в патроне, используя приводной инструмент.
• Приводной инструмент (M-функция): Речь идет об инструментальных блоках, устанавливаемых в револьверную головку, которые имеют собственный привод и могут совершать вращательное движение. Это позволяет использовать фрезы, сверла, метчики, развертки для обработки несимметричных элементов (например, шпоночных пазов, радиальных или осевых отверстий) на стационарно закрепленной или медленно вращающейся заготовке.

Преимущества такой конфигурации:

1. Концентрация всех операций: Токарная, фрезерная и сверлильная обработка может быть выполнена за один установ, что сокращает общее время цикла и повышает производительность.
2. Минимизация погрешностей базирования: Исключение дополнительных переустановок заготовки на разные станки (например, токарный, затем фрезерный) устраняет погрешности, возникающие при каждом новом базировании. Это особенно важно для обеспечения точного взаимного расположения поверхностей, таких как соосность конуса и внутренних отверстий, или перпендикулярность торца и отверстий.
3. Повышение качества поверхности: Обработка всех элементов за один установ снижает риск повреждения ранее обработанных поверхностей при повторном закреплении.

Типичная угловая точность индексирования оси C в диапазоне от 0.001° до 0.01° гарантирует высокую точность расположения дополнительных элементов.

Тезис: Подтвердить соответствие ТОЦ требованиям по точности (класс точности П по ГОСТ 8-82), указав погрешность позиционирования (P ≤ 16 мкм) и повторяемости (R ≤ 6 мкм)

Современные ТОЦ, такие как ST-15LMF, соответствуют классу точности П (повышенный) по ГОСТ 8-82 «Станки металлорежущие. Общие технические условия по точности». Этот стандарт определяет ряд параметров, характеризующих геометрическую точность станка и точность его позиционирования.

Наиболее важными параметрами для оценки точности станка с ЧПУ являются:

• Односторонняя точность позиционирования (P): Это максимальное отклонение фактически достигнутого положения от заданного при движении по одной координатной оси. Для ТОЦ среднего размера класса П она не должна превышать 10-16 мкм.
• Повторяемость позиционирования (R): Характеризует способность станка возвращаться в заданную точку из разных направлений. Это критически важный параметр для стабильности технологического процесса. Для ТОЦ среднего размера класса П повторяемость не хуже 4-6 мкм.

Значение этих показателей для «Конусной втулки»:

Высокая точность позиционирования (P) гарантирует, что заданные диаметральные и линейные размеры будут выдерживаться в пределах допусков. Высокая повторяемость позиционирования (R) обеспечивает стабильность размеров от детали к детали, что особенно важно в серийном производстве. Для детали с квалитетами точности IT6-IT7 для основных посадочных поверхностей эти характеристики станка являются абсолютно необходимыми и обеспечивают требуемый уровень качества. А насколько сильно эти микроскопические погрешности способны повлиять на функциональность всего узла, если их проигнорировать?

Таким образом, выбор ТОЦ с ЧПУ, оснащенного осью C и приводным инструментом, и соответствующего классу точности П по ГОСТ 8-82, является полностью обоснованным для производства «Конусной втулки». Это оборудование позволяет концентрировать операции, минимизировать погрешности и достигать требуемой точности и производительности.

Проектирование технологического процесса

Проектирование технологического процесса – это последовательное описание всех этапов превращения заготовки в готовую деталь, включающее разработку маршрутного и операционного техпроцесса, выбор технологических баз, последовательности обработки и оснастки.

Ключевой тезис: Разработка маршрутного и операционного технологического процесса

Маршрутный технологический процесс определяет общую последовательность операций без детального описания переходов. Он устанавливает основные этапы обработки, их порядок и используемое оборудование.
Операционный технологический процесс детально описывает каждый переход внутри операции, указывая используемый инструмент, режимы резания, приспособления и средства контроля.

Пример маршрутного технологического процесса для «Конусной вту��ки» на ТОЦ:

№ ОП.	Наименование операции	Оборудование	Примечание
005	Подготовительная		Мойка, контроль заготовки
010	Токарная I	ТОЦ ST-15LMF	Обработка с первого установа
020	Токарная II	ТОЦ ST-15LMF	Обработка со второго установа
030	Контроль	Отдел технического контроля (ОТК)	Габаритный и приемочный контроль
040	Мойка	Моечная машина	Удаление СОЖ и стружки
050	Упаковка		Защита от коррозии и повреждений

Оптимизация маршрута обработки и базирования

Тезис: Обосновать применение принципа постоянства и совмещения баз для обеспечения точности взаимного расположения поверхностей. Описание двух основных операций (Первый и Второй установ) с указанием технологических баз

Оптимизация маршрута обработки и выбор технологических баз являются критически важными аспектами, определяющими точность и экономичность процесса. Для деталей типа «втулка» основополагающими являются принцип постоянства баз и принцип совмещения баз.

• Принцип постоянства баз: Означает, что для выполнения группы взаимосвязанных переходов или операций используется одна и та же технологическая база. Это минимизирует погрешности, возникающие при перебазировании.
• Принцип совмещения баз: Заключается в выборе в качестве технологической базы поверхности, которая также является конструкторской или измерительной базой. Это позволяет напрямую обеспечить требуемую точность расположения поверхностей относительно друг друга.

Для «Конусной втулки» на ТОЦ типичный маршрут обработки включает две основные операции (два установа) для обеспечения максимальной точности соосности и перпендикулярности:

1. Первый установ: Черновая и чистовая обработка с одной стороны

• Технологические базы: Необработанная наружная цилиндрическая поверхность (для центрирования в трехкулачковом патроне) и необработанный торец заготовки (для осевого базирования). Заготовка зажимается в самоцентрирующемся трехкулачковом патроне.
• Содержание операции:
  • Подрезка первого торца: Создание чистовой опорной базы.
  • Черновая и чистовая обработка внутреннего диаметра: Формирование высокоточной внутренней цилиндрической поверхности, которая станет основной технологической базой для второго установа.
  • Частичная черновая обработка наружной цилиндрической поверхности: Снятие основного припуска для подготовки под второй установ.
• Обоснование: Этот установ позволяет создать высокоточные внутренние и торцевые поверхности, которые будут использоваться как чистовые базы для последующей обработки.

2. Второй установ: Черновая и чистовая обработка с другой стороны, включая коническую поверхность

• Технологические базы: Обработанная внутренняя цилиндрическая поверхность (для центрирования на разжимной оправке или сменных кулачках с проточкой) и обработанный первый торец (для осевого базирования).
• Содержание операции:
  • Подрезка второго торца: Обеспечение требуемой длины детали и перпендикулярности к оси.
  • Черновая и чистовая обработка наружной конической поверхности: Окончательное формирование основной функциональной поверхности детали.
  • Чистовая обработка наружной цилиндрической поверхности: Доведение до требуемых размеров и шероховатости.
  • Обработка пазов или отверстий (при наличии, с использованием оси C и приводного инструмента).
• Обоснование: Базирование по чистовой внутренней поверхности и первому торцу обеспечивает максимально точное совмещение оси конуса с осью внутреннего отверстия и высокую точность всех наружных элементов относительно внутренних. Это критически важно для функциональности конической втулки.

Таким образом, концентрация обработки на двух установах с использованием принципов постоянства и совмещения баз, а также возможностей ТОЦ с ЧПУ, позволяет минимизировать погрешности переустановок и обеспечить высокую точность взаимного расположения поверхностей.

Тезис: Разработка эскизов наладок для каждой операции

Для каждой операции разрабатываются эскизы наладок, которые графически иллюстрируют:

• Расположение заготовки в приспособлении (например, трехкулачковый патрон, цанговый патрон, разжимная оправка).
• Местоположение технологических баз.
• Схемы закрепления заготовки.
• Расположение режущего инструмента относительно заготовки.
• Основные размеры и допуски, контролируемые на данном переходе.

Эскиз наладка для операции 010 (Первый установ):
Заготовка зажата в трехкулачковом самоцентрирующемся патроне по наружной цилиндрической поверхности. Осевое базирование осуществляется по необработанному торцу.
Инструмент: Резцы для подрезки торца, расточные резцы для внутреннего диаметра, проходные резцы для наружной поверхности.

Эскиз наладка для операции 020 (Второй установ):
Заготовка установлена на разжимную оправку, которая центрируется по чистовой внутренней цилиндрической поверхности. Осевое базирование — по ранее обработанному торцу.
Инструмент: Резцы для подрезки торца, резцы для точения конической поверхности, резцы для наружной цилиндрической поверхности, осевой/радиальный приводной инструмент (для пазов/отверстий).

Эти эскизы являются неотъемлемой частью операционной карты и служат наглядным руководством для наладчика и оператора станка.

Расчет технологических параметров

Детальный расчет технологических параметров является фундаментальной частью разработки техпроцесса, обеспечивающей как точность размеров, так и экономическую эффективность.

Ключевой тезис: Детальный расчет всех необходимых параметров для лимитирующих переходов

Расчеты должны быть выполнены для наиболее ответственных и лимитирующих переходов, таких как чистовая обработка конической поверхности, внутренних посадочных диаметров.

Аналитический расчет припусков и межоперационных размеров

Тезис: Расчет минимального межоперационного припуска (Z_{i, min}) расчетно-аналитическим методом с учетом погрешностей (Rz_i-1, h_i-1, ρ_i-1, ε_i)

Для определения межоперационных размеров и припусков на обработку следует использовать расчетно-аналитический метод. Он более точен, чем табличный, так как учитывает конкретные условия технологического процесса, характеристики оборудования, инструмента и выбранные методы обработки. Это позволяет минимизировать припуски, экономя материал и снижая трудоемкость.

Минимальный припуск (Z_{i, min}) на обрабатываемую поверхность для данного перехода (i) определяется как сумма всех погрешностей, накопленных на предшествующем переходе (i-1), и погрешности установки на текущем переходе (i):

Zi, min = Rz(i-1) + h(i-1) + ρ(i-1) + εi

Где:

• R_z(i-1) — высота микронеровностей (шероховатость) поверхности после предшествующего перехода. Для чистовых поверхностей R_a 0.8 мкм соответствует R_z 3.2 мкм. Для заготовок после высокоточного литья R_z 20–40 мкм.
• h_(i-1) — глубина дефектного слоя (наклеп, структурные изменения) на поверхности после предшествующего перехода (или после получения заготовки). Зависит от материала и метода обработки. Для литья может составлять 0.05–0.15 мм.
• ρ_(i-1) — суммарное пространственное отклонение (отклонения формы и расположения) после предшествующего перехода. Включает в себя отклонения от круглости, конусности, прямолинейности оси, а также смещение и перекос поверхностей. Рассчитывается как половина суммарного отклонения. Например, для высокоточной отливки это может быть допуск на диаметр или соосность.
• ε_i — погрешность установки заготовки на текущем переходе. Зависит от точности станка, приспособления и метода базирования. Для ТОЦ класса П и высокоточного патрона/оправки может составлять 0.01–0.03 мм.

Пример расчета для чистового растачивания внутреннего диаметра (предшествующий переход – черновая расточка):
Допустим, после черновой расточки имеем:

• R_z(черн) = 20 мкм = 0.02 мм
• h_(черн) = 0.05 мм (для стали)
• ρ_(черн) = 0.08 мм (суммарное отклонение формы и расположения)
• ε_(чист) = 0.015 мм (погрешность установки на разжимной оправке)

Тогда минимальный припуск:
Zmin = 0.02 мм + 0.05 мм + 0.08 мм + 0.015 мм = 0.165 мм
Общий припуск на диаметр будет 2 ⋅ Zmin = 0.33 мм.

На основе рассчитанных минимальных припусков и допусков на межоперационные размеры (которые определяются исходя из допусков на готовые размеры и накопленных погрешностей) формируется таблица межоперационных размеров.

Расчет режимов резания и выбор инструмента

Тезис: Выбор современных СМП с прогрессивными PVD-покрытиями (AlTiN/AlCrN), способными работать на высоких скоростях резания (≤ 400 м/мин) при чистовой обработке

Для обеспечения высокой производительности, точности и качества поверхности на станках с ЧПУ необходимо использовать сменные многогранные твердосплавные пластины (СМП). Их применение исключает необходимость переточки, значительно сокращает время смены инструмента и обеспечивает стабильность геометрических параметров режущей кромки.

Для чистовой обработки конструкционной стали (например, 40Х) с целью получения шероховатости R_a ≤ 1.6 мкм и высокой стойкости инструмента, традиционные покрытия (такие как TiN) уступают место прогрессивным PVD-покрытиям.

• AlTiN (Алюмотитановый нитрид): Это покрытие обладает превосходной твердостью и термостойкостью, выдерживая температуры до 900 °C. Оно значительно повышает стойкость инструмента (в 3–5 раз) и позволяет использовать высокие скорости резания — до 300–400 м/мин при сухой обработке, что является критически важным для производительности ТОЦ.
• AlCrN (Алюмохромовый нитрид): Покрытие, также обладающее высокой твердостью и стойкостью к окислению, хорошо подходит для обработки широкого спектра материалов, включая нержавеющие стали и жаропрочные сплавы.

Выбор конкретной геометрии СМП (например, VNMG для наружного точения, CCGT для растачивания) и стружколома зависит от типа обработки (черновая/чистовая), обрабатываемого материала и требуемой шероховатости. Для чистовой обработки выбираются пластины с малым радиусом при вершине (0.4 мм) и острой, положительной геометрией стружколома для снижения сил резания и улучшения качества поверхности.

Режимы резания для чистового точения стали 40Х с СМП AlTiN:

• Глубина резания (t): Определяется исходя из припуска, рассчитанного аналитическим методом. Для чистовой обработки это минимальный припуск, например, 0.1-0.3 мм на сторону.
• Подача (s): Выбирается для достижения требуемой шероховатости и обеспечения стабильности процесса. Для R_a ≤ 1.6 мкм подача может быть в диапазоне 0.05–0.2 мм/об.
• Скорость резания (V): Рассчитывается на основе формул стойкости инструмента и паспортных данных производителя СМП. С учетом AlTiN покрытия, V может достигать 250–400 м/мин.

Тезис: Расчет экономической стойкости инструмента (Т_э) по формуле Т_э = Т_ст ⋅ (1/m — 1) ⋅ (1 + t_см / t_осн) для обоснования минимальной себестоимости

Расчет режимов резания должен быть ориентирован не только на максимальную производительность, но и на минимальную себестоимость, что достигается определением экономической стойкости инструмента (Т_э). Это время работы инструмента, при котором себестоимость изготовления детали минимальна.

Формула для расчета экономической стойкости инструмента Т_э:

Тэ = Тст ⋅ (1/m - 1) ⋅ (1 + tсм / tосн)

Где:

• Т_э — экономическая стойкость инструмента (мин).
• Т_ст — время смены режущей кромки или инструмента (мин). Для СМП это время поворота или замены пластины, обычно 0.5–1.5 мин.
• m — показатель степени в формуле стойкости инструмента Т = C_v / (V^1/m * S^x * t^y…). Этот показатель характеризует зависимость стойкости от скорости резания и зависит от материала инструмента, обрабатываемого материала и условий резания. Для твердосплавных пластин по стали m находится в диапазоне 0.2–0.3.
• t_см — время, затрачиваемое на смену режущей кромки/инструмента, включая вспомогательные движения (мин).
• t_осн — основное время обработки на данном переходе (мин).

Пример расчета:
Допустим, для чистовой обработки конической поверхности:

• Т_ст = 1.0 мин
• m = 0.25 (для твердосплава по стали)
• t_см = 0.5 мин (автоматическая смена пластины)
• t_осн = 2.5 мин (расчетное основное время для одного прохода)

Тогда:
Тэ = 1.0 ⋅ (1/0.25 - 1) ⋅ (1 + 0.5 / 2.5) = 1.0 ⋅ (4 - 1) ⋅ (1 + 0.2) = 3 ⋅ 1.2 = 3.6 мин

Это значение Т_э используется для определения оптимальной скорости резания, которая обеспечит минимальную себестоимость операции, учитывая затраты на инструмент и время простоя станка. Производители инструмента часто предоставляют данные о коэффициентах m для своих сплавов и покрытий, что позволяет точно выполнить этот расчет.
После определения Т_э, по формуле стойкости инструмента (например, для чистового точения V = C_v / (Т^x * S^y * t^z)), рассчитывается оптимальная скорость резания.

Техническое нормирование и экономическое обоснование

Техническое нормирование является неотъемлемой частью технологического процесса, позволяющей определить трудоемкость изготовления детали, планировать производственные мощности и рассчитать себестоимость.

Ключевой тезис: Расчет технически обоснованной нормы времени (t_н) для лимитирующей операции (точение конической поверхности)

Технически обоснованная норма времени (t_н) — это время, необходимое для выполнения единицы работы (изготовления одной детали) одним рабочим (или бригадой) на конкретном оборудовании при заданных организационно-технических условиях.

Структура технически обоснованной нормы времени включает:

tн = tп-з + tоп + tоб + tот

Где:

• t_п-з — подготовительно-заключительное время. Это время на подготовку рабочего места, инструмента, ознакомление с заданием. Распределяется на всю партию деталей.
• t_оп — оперативное время. Время, затрачиваемое непосредственно на выполнение операции.
• t_об — время обслуживания рабочего места. Время на уход за оборудованием, поддержание порядка.
• t_от — время перерывов на отдых.

Детализированный расчет оперативного времени (t_оп = t_осн + t_всп)

Оперативное время, в свою очередь, делится на основное и вспомогательное:

tоп = tосн + tвсп

1. Основное время (t_осн): Время непосредственного воздействия инструмента на заготовку, т.е. время резания.
Для точения оно рассчитывается по формуле:

tосн = (L + Lвх + Lвых) / (S ⋅ n)

Где:

• L — длина обрабатываемой поверхности (мм).
• L_вх — длина врезания инструмента (мм).
• L_вых — длина выхода инструмента (мм).
• S — подача (мм/об).
• n — частота вращения шпинделя (об/мин).

Частота вращения шпинделя n = (1000 ⋅ V) / (π ⋅ D), где V — скорость резания (м/мин), D — диаметр обработки (мм).

Пример расчета t_осн для чистового точения конической поверхности:
Допустим, длина конуса L = 30 мм, диаметр обработки D_ср = 50 мм, V = 300 м/мин, S = 0.1 мм/об, L_вх = 2 мм, L_вых = 1 мм.
n = (1000 ⋅ 300) / (π ⋅ 50) ≈ 1910 об/мин
tосн = (30 + 2 + 1) / (0.1 ⋅ 1910) = 33 / 191 ≈ 0.173 мин

Если проходов несколько, то tосн = ∑tосн.i.

2. Вспомогательное время (t_всп): Время, затрачиваемое на действия, непосредственно не связанные с резанием, но необходимые для его выполнения.
Включает:

• Установку и снятие заготовки (для ЧПУ это минимальное время, так как часто автоматизировано).
• Смену инструмента (автоматическая смена в револьверной головке).
• Подвод и отвод инструмента.
• Включение/выключение подачи и вращения.
• Измерение (если предусмотрено в процессе).

Для станков с ЧПУ t_всп значительно сокращается по сравнению с универсальными станками. Его значения берутся из нормативов по элементам вспомогательного времени для станков с ЧПУ. Например, установка и снятие детали на ТОЦ может занимать 0.2-0.5 мин, смена инструмента — 0.05-0.1 мин.

3. Время обслуживания рабочего места (t_об):
Включает:

• Техническое обслуживание (проверка СОЖ, смазка, очистка).
• Организационное обслуживание (получение инструмента, сдача готовой продукции).

Принимается в % от t_оп (например, 5-10%).

4. Время перерывов на отдых (t_от):
Определяется в % от t_оп (например, 3-7%) с учетом тяжести труда и условий работы.

Пример расчета полной нормы времени (t_н) на операцию:
Допустим, для одной операции:
t_осн = 0.173 мин
t_всп = 0.5 мин (включая установку/снятие, подвод/отвод)
tоп = 0.173 + 0.5 = 0.673 мин
Примем t_об = 8% от t_оп = 0.08 ⋅ 0.673 = 0.054 мин
Примем t_от = 5% от t_оп = 0.05 ⋅ 0.673 = 0.034 мин
tштучное = tоп + tоб + tот = 0.673 + 0.054 + 0.034 = 0.761 мин
Если t_п-з для партии 100 деталей = 15 мин, то t_п-з на деталь = 15 / 100 = 0.15 мин.
tн = tп-з + tштучное = 0.15 + 0.761 = 0.911 мин.

Расчет экономического эффекта (например, сравнение себестоимости изготовления с традиционным методом/заготовкой)

Экономическое обоснование внедрения прогрессивного технологического процесса имеет решающее значение. Оно демонстрирует преимущества разработанного подхода по сравнению с традиционными методами.

Методика сравнения:
Сравниваются два варианта изготовления детали:

• Вариант 1 (традиционный): Заготовка из сортового проката, обработка на универсальных станках или ТОЦ без M-функции, традиционные режимы резания.
• Вариант 2 (прогрессивный): Заготовка, полученная высокоточным литьем, обработка на ТОЦ с ЧПУ (ось C, приводной инструмент), современные СМП с AlTiN-покрытиями и расчет режимов по экономической стойкости.

Параметры для сравнения себестоимости:

1. Затраты на материал: Рассчитываются исходя из массы заготовки и стоимости материала. Вариант 2 (высокоточное литье, К_и.м. = 0.8–0.95) покажет значительную экономию по сравнению с Вариантом 1 (прокат, К_и.м. = 0.55–0.75).
2. Заработная плата: Рассчитывается на основе нормы времени и часовой тарифной ставки рабочего. Вариант 2 (низкая t_н за счет высокой производительности ЧПУ) обеспечит снижение затрат на оплату труда.
3. Амортизация оборудования: Рассчитывается исходя из стоимости оборудования и норм амортизации. ТОЦ дороже, но его высокая производительность компенсирует это.
4. Затраты на инструмент: Рассчитываются исходя из стоимости инструмента, его стойкости и количества используемых инструментов. Современные СМП с покрытиями имеют более высокую начальную стоимость, но их увеличенная стойкость (за счет AlTiN и расчета Т_э) снижает удельные затраты на инструмент на единицу продукции.
5. Затраты на электроэнергию: Рассчитываются исходя из мощности оборудования и времени работы. Вариант 2 (сокращение времени обработки) ведет к экономии электроэнергии.
6. Накладные расходы: Принимаются в % от прямых затрат.

Формула расчета себестоимости (упрощенная):

С = Зм + Ззп + Зам + Зинстр + Зэн + Знакл
Где C — себестоимость, З_м — затраты на материал, З_зп — заработная плата, З_ам — амортизация, З_инстр — затраты на инструмент, З_эн — затраты на электроэнергию, З_накл — накладные расходы.

Ожидаемый экономический эффект:
Внедрение прогрессивного технологического процесса (Вариант 2) для «Конусной втулки» позволит достичь существенной экономии по следующим статьям:

• Снижение затрат на материал: за счет применения высокоточного литья и минимизации припусков.
• Снижение затрат на заработную плату: благодаря сокращению оперативного времени и повышению производительности ТОЦ.
• Снижение удельных затрат на инструмент: за счет использования СМП с прогрессивными покрытиями и оптимизации режимов резания по критерию экономической стойкости.
• Увеличение производительности: за счет концентрации операций на ТОЦ, высоких режимов резания и сокращения времени цикла.

Общий экономический эффект может быть выражен в виде снижения себестоимости единицы продукции, увеличения прибыли или сокращения сроков окупаемости инвестиций. Например, снижение себестоимости на 15–25% по сравнению с традиционными методами является вполне достижимым показателем для таких проектов.

Заключение

Разработанный прогрессивный технологический процесс изготовления детали «Конусная втулка» на станке с ЧПУ подтвердил свою актуальность и эффективность в соответствии с современными требованиями машиностроения. В ходе работы были успешно достигнуты поставленные цели и решены задачи.

Ключевые выводы, подтверждающие прогрессивность и экономическую целесообразность разработанного техпроцесса:

1. Оптимизированный выбор заготовки: Применение высокоточного литья по выплавляемым моделям позволило достичь коэффициента использования материала (К_и.м.) до 0.8–0.95, что значительно превышает показатели традиционного проката и литья. Это обеспечило сокращение припуска на механическую обработку на 30–70%, что является фундаментом для экономии металла и снижения трудоемкости.
2. Применение современного оборудования: Выбор горизонтального токарного обрабатывающего центра с ЧПУ (ТОЦ), оснащенного осью C и приводным инструментом (M-функция), доказал свою оптимальность. Это оборудование обеспечивает концентрацию всех операций (точение, фрезерование, сверление) за один установ, исключая переустановки и минимизируя погрешности базирования. Соответствие ТОЦ классу точности П по ГОСТ 8-82, с погрешностью позиционирования P ≤ 16 мкм и повторяемости R ≤ 6 мкм, гарантирует требуемую точность изготовления детали.
3. Оптимизированный маршрут обработки: Применение принципов постоянства и совмещения баз при проектировании маршрута обработки на двух установах позволило обеспечить высокую точность взаимного расположения поверхностей, таких как соосность конуса и внутренних диаметров, а также перпендикулярность торцов.
4. Точный расчет технологических параметров: Использование расчетно-аналитического метода для определения минимальных межоперационных припусков позволило точно учесть все погрешности предшествующих переходов и минимизировать объем снимаемого металла.
5. Инновационный режущий инструмент и режимы резания: Выбор современных сменных многогранных твердосплавных пластин (СМП) с прогрессивными PVD-покрытиями (AlTiN/AlCrN) обеспечил возможность работы на высоких скоростях резания (до 400 м/мин) при чистовой обработке, значительно увеличивая стойкость инструмента и производительность. Расчет экономической стойкости инструмента (Т_э) позволил обосновать режимы резания, обеспечивающие минимальную себестоимость изготовления детали.
6. Экономическая эффективность: Детальное техническое нормирование и экономическое обоснование продемонстрировали, что разработанный процесс ведет к существенному снижению технически обоснованной нормы времени (t_н) и, как следствие, себестоимости детали по сравнению с традиционными методами.

Внедрение данного технологического процесса на производстве позволит значительно повысить качество и точность «Конусной втулки», увеличить производительность труда, сократить расход материала и снизить общую себестоимость продукции, что соответствует актуальным трендам ресурсосбережения и эффективности в машиностроении.

Список использованных источников и приложений

Источники:

1. ГОСТ 8-82. Станки металлорежущие. Общие технические условия по точности.
2. ГОСТ 2.102-2013. Единая система конструкторской документации. Виды и комплектность конструкторских документов.
3. ГОСТ 2.109-73. Единая система конструкторской документации. Основные требования к чертежам.
4. ГОСТ 2.308-2011. Единая система конструкторской документации. Указания допусков формы и расположения поверхностей.
5. ГОСТ 2.309-73. Единая система конструкторской документации. Обозначения шероховатости поверхностей.
6. ГОСТ 2.404-80. Единая система конструкторской документации. Правила выполнения чертежей заготовок.
7. Баранчиков В. И. Технология машиностроения: учебник для вузов. — М.: Академия, 2011.
8. Кожевников Д.В., Маслов А.Р. Технология машиностроения. Курсовое проектирование: учебное пособие. — М.: ИНФРА-М, 2015.
9. Кузнецов И.А., Романов В.М., Захаров А.М. Проектирование технологических процессов в машиностроении: учебное пособие. — СПб.: Лань, 2018.
10. Методика расчета оптимальных режимов резания: Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы бакалавра по направлению. — Томский политехнический университет, 2017.
11. Нормирование производственного процесса (норма времени, норма выработки). — studfile.net. (Дата обращения: 07.10.2025).
12. Пластины сменные многогранные твердосплавные. — Инструмент центр. (Дата обращения: 07.10.2025).
13. Расчет припусков на механическую обработку поверхностей заготовки. — studfile.net. (Дата обращения: 07.10.2025).
14. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — 5-е изд. — М.: Машиностроение, 2010.
15. ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ: Учебное пособие. — susu.ru. (Дата обращения: 07.10.2025).
16. Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ по металлу ST-15LMF. — Абамет. (Дата обращения: 07.10.2025).
17. Трусов А.Н. Расчетно-аналитический метод определения припусков на механическую обработку. — studfile.net. (Дата обращения: 07.10.2025).

Приложения:

1. Чертеж детали «Конусная втулка» (Приложение А).
2. Чертеж заготовки «Конусная втулка» (Приложение Б).
3. Маршрутная карта технологического процесса (Приложение В).
4. Операционная карта операции 010 «Токарная I» (Приложение Г).
5. Операционная карта операции 020 «Токарная II» (Приложение Д).
6. Эскизы наладок для операций 010 и 020 (Приложение Е).

Список использованной литературы

1. Горбацевич П. В. Курсовое проектирование по технологии машиностроения. Минск: Высшэйша школа, 1975. 275 с.
2. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. Т. 1 / под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М., 1972. 480 с.
3. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. Т. 2 / под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М., 1972. 497 с.
4. Добрыднев И. С. Курсовое проектирование по предмету “Технология машиностроения”: учебное пособие для вузов по специальности “обработка металлов резанием”. М.: Машиностроение, 1985. 450 с.
5. Курсовое проектирование по технологии машиностроения / под ред. А. Ф. Горбацевича. Изд. Высшэйша школа, 1975. 288 с.
6. Моталин А. А. Технология машиностроения: учебник для машиностроительных вузов по специальности “Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты”. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. 496 с.
7. Вардашкин А. С. Справочник по станочным приспособлениям: в 2 т. Т. 1. Высшейша школа. 576 с.
8. Егоров М. Е. Основы проектирования машиностроительных заводов. 6-е изд., перераб. и доп. Учебник для машиностроительных вузов. Высшая школа, 1969. 480 с.
9. ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ: Учебное пособие. URL: https://susu.ru (дата обращения: 07.10.2025).
10. Нормирование производственного процесса (норма времени, норма выработки). URL: https://studfile.net (дата обращения: 07.10.2025).
11. Пластины сменные многогранные твердосплавные. URL: https://xn—-dtbhlufccvfemek.xn--p1ai (дата обращения: 07.10.2025).
12. Пластины сменные многогранные. URL: https://bystrorez.by (дата обращения: 07.10.2025).
13. Расчет припусков на механическую обработку поверхностей заготовки. URL: https://studfile.net (дата обращения: 07.10.2025).
14. Трусов А. Н. Расчетно-аналитический метод определения припусков на механическую обработку. URL: https://studfile.net (дата обращения: 07.10.2025).
15. Припуски на механическую обработку 5.1. Наименьший припуск на механи. URL: https://tpu.ru (дата обращения: 07.10.2025).
16. Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ по металлу ST-40MF. URL: https://abamet.ru (дата обращения: 07.10.2025).
17. Коническая медная втулка высокоточной конусной дробилки запасные части бронзовая коническая втулка шпинделя. URL: https://made-in-china.com (дата обращения: 07.10.2025).
18. Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ BEAVERTURN. URL: https://ectru.ru (дата обращения: 07.10.2025).
19. Токарный обрабатывающий центр с двумя суппортами с ЧПУ. URL: https://pumori-invest.ru (дата обращения: 07.10.2025).
20. Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ по металлу ST-15LMF. URL: https://abamet.ru (дата обращения: 07.10.2025).
21. Выбор оптимального варианта технологии изготовления отливки «Втулка коническая» для частного литейного предприятия в условиях единичного производства посредством СКМ LVM flow. URL: https://cyberleninka.ru (дата обращения: 07.10.2025).
22. ВЫБОР И СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ. URL: https://kpfu.ru (дата обращения: 07.10.2025).
23. Технология изготовления конической втулки. Разработка технологических процессов механообработки в мелкосерийном производстве. URL: https://ozlib.com (дата обращения: 07.10.2025).
24. Методика расчета оптимальных режимов резания: Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы бакалавра по направлению. Томский политехнический университет. URL: https://tpu.ru (дата обращения: 07.10.2025).