В современном машиностроении, где точность и эффективность определяют конкурентоспособность, роль инженера-технолога выходит на передний план. Именно он превращает конструкторский замысел, выраженный в чертеже, в реальный продукт, создавая оптимальный путь его изготовления. Курсовая работа по технологии машиностроения — это первая серьезная попытка пройти этот путь самостоятельно. В качестве объекта исследования мы рассмотрим классическую деталь типа тел вращения — «стакан».
Цель данной работы — разработать полный технологический процесс изготовления этой детали, обеспечив соответствие ее параметров требованиям чертежа при минимальных затратах. Для достижения этой цели нам предстоит решить ряд последовательных задач:
- Проанализировать конструкцию детали и ее служебное назначение.
- Определить тип производства.
- Выбрать и обосновать метод получения заготовки.
- Спроектировать маршрут механической обработки.
- Подобрать необходимое оборудование, оснастку и инструмент.
- Выполнить инженерные расчеты припусков и режимов резания.
- Оценить экономическую эффективность разработанного процесса.
Этот путь от чертежа до экономики мы пройдем шаг за шагом, уделяя внимание не только расчетам, но и логике принятия каждого решения, ведь именно в этом и заключается суть инженерного мышления, усиленного сегодня возможностями современных систем автоматизированного проектирования (САПР) и управления производством (АСУ ТП).
1. Анализ исходных данных и служебного назначения детали
Первый и фундаментальный этап любого технологического проектирования — это глубокое понимание объекта производства. Деталь «стакан» представляет собой тело вращения, как правило, с глухим или сквозным отверстием. Ее конструкция включает несколько ключевых элементов: наружные и внутренние цилиндрические поверхности, торцы, возможно, канавки или фаски. Материалом для таких деталей часто служат конструкционные стали (например, Сталь 45) или цветные сплавы, в зависимости от условий эксплуатации.
Предполагаемое функциональное назначение «стакана» — работа в качестве корпуса, опоры или втулки в каком-либо механическом узле. Это означает, что его рабочие поверхности могут подвергаться износу, испытывать нагрузки и должны обеспечивать точное сопряжение с другими деталями. Отсюда вытекают конкретные требования к точности размеров, геометрической формы и шероховатости поверхностей, указанные на чертеже.
Анализ технологичности конструкции позволяет оценить, насколько деталь «удобна» для изготовления. Для «стакана» можно выделить следующие моменты:
- Точность и шероховатость: Наиболее ответственными, как правило, являются внутренний и наружный диаметры, которые требуют нескольких переходов обработки для достижения требуемой точности и низкой шероховатости.
- Базирование и закрепление: Форма детали идеально подходит для закрепления в трехкулачковом патроне токарного станка, что упрощает ее базирование и обеспечивает жесткость, необходимую для обработки.
- Доступность поверхностей: Все основные поверхности легко доступны для стандартного режущего инструмента (проходных и расточных резцов), что делает ее изготовление относительно простым с точки зрения инструментального оснащения.
Таким образом, анализ чертежа показывает, что деталь «стакан» является технологичной, а ее производство может быть эффективно выстроено на базе стандартных токарных операций. Понимание этих особенностей позволяет перейти к следующему шагу — определению масштабов производства.
2. Определение типа производства как основа для выбора технологий
Масштаб выпуска продукции — ключевой фактор, влияющий на выбор оборудования, степень автоматизации, вид оснастки и, в конечном счете, на себестоимость. Годовая программа выпуска (N) обычно рассчитывается по формуле, учитывающей количество изделий в сборочной единице, программу выпуска самих изделий и процент запасных частей.
По результатам расчета определяется тип производства:
- Единичное: Производство уникальных или редко повторяющихся изделий. Характерно использование универсальных станков и ручной разметки.
- Серийное: Изготовление партий (серий) изделий, повторяющихся через определенные промежутки времени. Это наиболее распространенный тип, для которого характерно применение станков с ЧПУ, специализированных приспособлений и заранее настроенного инструмента.
- Массовое: Непрерывное изготовление одного и того же изделия в больших количествах. Здесь используются станки-автоматы, поточные линии и специальное высокопроизводительное оборудование.
Для нашей курсовой работы, как правило, закладывается серийный тип производства. Такой выбор означает, что мы должны проектировать техпроцесс не для одного экземпляра, а с расчетом на повторяемость и эффективность. Это решение напрямую диктует нам необходимость использования производительного оборудования, например, токарных станков с ЧПУ, которые обеспечивают стабильное качество и сокращают время на переналадку по сравнению с универсальными станками.
3. Выбор и обоснование оптимального метода получения заготовки
Выбор заготовки — это первое решение, которое имеет прямое экономическое выражение. От того, насколько форма и размеры исходной заготовки близки к готовой детали, зависит объем металла, который уйдет в стружку (коэффициент использования материала, КИМ), и трудоемкость последующей механической обработки.
Рассмотрим основные варианты для детали типа «стакан»:
- Сортовой прокат (круг): Самый простой и доступный вариант. Представляет собой сплошной металлический пруток. Главный недостаток — низкий КИМ, так как весь металл из внутреннего отверстия приходится удалять в стружку.
- Поковка или штамповка: Заготовка, полученная обработкой давлением. Ее форма уже приближена к контурам детали, включая наличие начального отверстия. Это значительно повышает КИМ и снижает время на черновую обработку, но сама заготовка дороже.
- Литье: Заготовка получается путем заливки расплавленного металла в форму. Также позволяет получить форму, близкую к готовой детали, но литые структуры могут иметь внутренние дефекты.
- Трубный прокат: Если размеры подходят, использование толстостенной трубы может быть очень эффективным решением, так как операция по созданию основного отверстия исключается.
Для серийного производства детали «стакан» из конструкционной стали наиболее сбалансированным вариантом часто является сортовой прокат. Хотя штамповка дает лучший КИМ, стоимость штампа окупается только при очень крупных сериях. Прокат же доступен, дешев и позволяет выстроить гибкий технологический процесс на станках с ЧПУ. Этот выбор мы и примем за основу для дальнейшего проектирования.
4. Проектирование маршрутной технологии механической обработки
Маршрутная технология — это «скелет» всего производственного процесса, который определяет последовательность действий по превращению заготовки в готовую деталь. Каждая операция решает свою задачу, постепенно приближая геометрию и качество поверхностей к требованиям чертежа. Для детали «стакан» из прутковой заготовки маршрут будет выглядеть следующим образом.
Для наглядности представим его в виде таблицы, имитирующей маршрутную карту.
| № Опер. | Наименование операции | Содержание и переходы | Оборудование |
|---|---|---|---|
| 005 | Заготовительная | Отрезать заготовку требуемой длины от прутка. | Ленточнопильный станок |
| 010 | Токарная с ЧПУ (1-й установ) | 1. Зажать заготовку. 2. Подрезать торец. 3. Черновое и чистовое обтачивание наружного диаметра. 4. Сверление/растачивание внутреннего отверстия. 5. Обработка канавок/фасок. | Токарный станок с ЧПУ |
| 015 | Токарная с ЧПУ (2-й установ) | 1. Переустановить деталь, зажав за обработанную поверхность. 2. Подрезать торец в размер по длине. 3. Обработка фасок с другой стороны. | Токарный станок с ЧПУ |
| 020 | Контрольная | Проверить все размеры, указанные на чертеже. | Контрольный стол |
Для ключевых операций, таких как токарная, обязательно разрабатываются операционные эскизы. Это графические схемы, показывающие положение детали, точки приложения инструмента, обрабатываемые поверхности и размеры, которые необходимо получить на данной операции. Они служат наглядной инструкцией для наладчика и оператора станка.
5. Подбор технологического оборудования, оснастки и режущего инструмента
Когда маршрут определен, необходимо «наполнить» его конкретными средствами производства. Выбор зависит от типа производства, требований к точности и габаритов детали. Для нашего серийного производства детали «стакан» выбор будет следующим:
- Основное оборудование: Для выполнения токарных операций (010 и 015) оптимальным выбором будет токарный станок с ЧПУ. Он обеспечивает высокую производительность, повторяемость и точность, что критически важно для серийного производства. Его технические характеристики (мощность привода, диапазон оборотов, размеры рабочей зоны) должны соответствовать габаритам детали и материалу.
- Технологическая оснастка: В качестве основного зажимного приспособления используется стандартный трехкулачковый самоцентрирующий патрон. Он обеспечивает надежное и быстрое закрепление заготовки. Для второй установки могут потребоваться специальные «мягкие» кулачки, чтобы не повредить уже обработанную чистовую поверхность.
- Режущий инструмент:
- Для наружного точения — проходные резцы со сменными многогранными пластинами (СМП) из твердого сплава.
- Для обработки торца — подрезной резец.
- Для создания отверстия — сверло (для предварительной обработки) и расточные резцы (для чистовой).
- Измерительный инструмент: Для контроля размеров на всех этапах потребуется штангенциркуль с цифровой индикацией, микрометр для точного измерения наружных диаметров и нутромер для внутренних.
Обоснованный выбор этих компонентов гарантирует, что технологический процесс будет не только логичным на бумаге, но и реализуемым на практике с заданным качеством.
6. Расчет межоперационных припусков и размеров заготовки
Припуск — это слой металла, который необходимо удалить с поверхности заготовки для получения готовой детали. Он нужен, чтобы компенсировать все возможные погрешности, возникающие на предыдущих этапах обработки (например, неровности поверхности заготовки, погрешность установки детали в патроне), и обеспечить возможность удаления дефектного поверхностного слоя.
Расчет припусков — это ответственная инженерная задача, которая выполняется аналитическим методом для каждой обрабатываемой поверхности и для каждого технологического перехода (например, черновая обработка, чистовая обработка). Минимальный припуск (Zmin) на сторону рассчитывается с учетом нескольких составляющих:
- Rz — высота неровностей профиля с предыдущего перехода.
- T — глубина дефектного поверхностного слоя.
- ρ — пространственные отклонения (например, кривизна заготовки).
- ε — погрешность установки детали на текущей операции.
Эти составляющие суммируются, и полученные минимальные припуски для каждого перехода затем складываются, чтобы определить общий припуск на поверхность. На основе этих расчетов определяются межоперационные размеры (размеры детали после каждой операции) и, что самое главное, — окончательные размеры заготовки. Результаты расчетов удобно сводить в таблицу, что делает процесс прозрачным и позволяет легко отследить формирование конечного размера детали.
7. Расчет и назначение режимов резания для ключевых операций
Если маршрут — это «что делать», то режимы резания — это «как делать». От их правильного назначения зависит производительность, стойкость инструмента, качество обработанной поверхности и даже безопасность работы. Расчет ведется для наиболее ответственных или трудоемких операций, например, для чистового точения наружного диаметра.
Расчет выполняется в определенной последовательности:
- Глубина резания (t, мм): Назначается исходя из припуска, который нужно снять за один проход. При черновой обработке она максимальна, при чистовой — минимальна.
- Подача (S, мм/об): Выбирается по справочникам в зависимости от требуемой шероховатости поверхности и материала режущей части инструмента. Чем выше требования к чистоте поверхности, тем меньше подача.
- Скорость резания (V, м/мин): Это самый сложный для расчета параметр. Она определяется по формулам, учитывающим множество факторов: материал детали и инструмента, геометрию резца, подачу, глубину резания и требуемый период стойкости инструмента.
- Частота вращения шпинделя (n, об/мин): Рассчитывается на основе найденной скорости резания и диаметра обработки.
- Проверка мощности: Рассчитывается мощность, необходимая для резания, и сравнивается с паспортной мощностью двигателя станка. Если расчетная мощность превышает допустимую, режимы корректируются.
Все эти расчеты сводятся в операционную карту, которая служит прямой инструкцией для программирования станка с ЧПУ или работы токаря на универсальном станке.
8. Оценка технологической себестоимости и экономической эффективности
Любое инженерное решение должно быть не только технически верным, но и экономически оправданным. Расчет технологической себестоимости позволяет оценить затраты на изготовление одной детали по предложенному нами техпроцессу.
Себестоимость складывается из нескольких основных статей затрат:
- Стоимость материалов: Определяется на основе массы заготовки (с учетом КИМ) и цены за килограмм металла.
- Заработная плата основного рабочего: Рассчитывается на основе штучного времени (времени на обработку одной детали) и тарифной ставки рабочего.
- Затраты на амортизацию оборудования: «Возврат» стоимости станков и оснастки, распределенный на каждую деталь.
- Затраты на электроэнергию: Зависят от мощности оборудования и времени его работы.
- Затраты на инструмент: Учитывают износ и стоимость режущего и измерительного инструмента.
Для проведения этих расчетов сначала выполняется нормирование времени, то есть определяется основное (машинное) и вспомогательное (на установку, снятие, измерения) время для каждой операции. Сумма этих затрат дает технологическую себестоимость. Сравнив ее с возможными альтернативными процессами или с рыночной ценой аналогичного изделия, можно сделать вывод об экономической эффективности предложенного решения.
Заключение
В рамках данной работы мы прошли полный цикл проектирования технологического процесса изготовления детали «стакан». Начиная с анализа чертежа, мы последовательно решили все ключевые задачи: определили тип производства как серийный, обосновали выбор сортового проката в качестве заготовки, разработали детальный маршрут механической обработки и подобрали для него современное оборудование и инструмент.
Важнейшей частью работы стали инженерные расчеты межоперационных припусков и режимов резания, которые заложили теоретическую базу для обеспечения точности и производительности. Финальная оценка технологической себестоимости подтвердила экономическую целесообразность спроектированного процесса в заданных условиях.
В результате был создан комплексный, логически выстроенный и расчетно-обоснованный технологический процесс, который полностью обеспечивает изготовление детали «стакан» в соответствии с конструкторской документацией. Это доказывает, что поставленная в начале работы цель была успешно достигнута.
Список литературы.
- Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку. ГОСТ 26645-85.
- Горбацевич. П. В. Курсовое проектирование по технологии машиностроения. Минск, “Высшэйша школа”1975г.275с.
- Добрыднев И. С. Курсовое проектирование по предмету “Технология машиностроения ”: Учебное пособие для вузов по специальности “обработка металлов резанием”, — М.: Машиностроение, 1985., 450с.
- Курсовое проектирование по технологии машиностроения. Под. ред. А. Ф. Горбацевича. Изд. “Высшэйша школа”,1975, 288с.
- Моталин А. А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности “Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты ”- Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение 1985.- 496с.
- Вардашкин А. С. Справочник по станочным приспособлениям в 2-х томах. Том-1. Высшейша школа. 576 с
- Егоров М.Е. Основы проектирования машиностроительных заводов. Изд.6-е, перераб. и доп. Учебник для машиностроительных вузов «Высшая школа » 1969. 480 с.
- Справочник технолога-машиностроителя в 2-х томах, Т1 под. Ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова М. 1972, 480с.
- Справочник технолога-машиностроителя в 2-х томах, Т2 под. Ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова М. 1972, 497с