Author: Афонькин М.Г. Звягин В.Б.
Tags: инженерное дело техника в целом общая технология машиностроения обработка металлов инженерия техника машиностроение
ISBN: 978-5-7325-0622-8
Year: 2007
Text
М. Г. Афонькин, В. Б. Звягин
ПРОИЗВОДСТВО
ЗАГОТОВОК
в машиностроении
Издание 2-е, дополненное и переработанное
1ПГЛ ПОЛИТЕХНИКА
ЛВ ИЗДАТЕЛЬСТВО
•---- Санкт-Петербург 2007
УДК 62.412
ББК 34.51
А94
Афонькин М. Г., Звягин В. Б.
А94 Производство заготовок в машиностроении. — 2-е изд., доп.
и перераб. СПб.: Политехника, 2007. — 380 с.: ил.
ISBN 978-5-7325-0622-8
Второе издание книги содержит современные представления о выборе
рационального способа получения заготовок для деталей машинострое-
ния. Рассмотрены технологические особенности получения заготовок, обес-
печивающие их высокое качество при минимальных затратах. Отдельно
представлены основные принципы повышения технологичности деталей
для различных способов получения заготовок. Рассмотрено влияние тех-
нологических свойств металлов и сплавов на качество и экономичность
получаемых деталей. В отдельной главе изложены основные принципы
повышения эффективности мелкосерийного производства заготовок.
Содержащиеся в книге данные, математическая постановка и алгорит-
мы решения некоторых задач могут быть использованы при формализа-
ции знаний для разработки систем автоматизированного проектирования
технологических процессов в заготовительном производстве.
Книга предназначена для инженерно-технических работников маши-
ностроительных предприятий, занимающихся разработкой технологиче-
ских процессов в заготовительном производстве и механической обработ-
ке, а также полезна для студентов высших учебных заведений, аспиран-
тов и учащихся средних профессиональных образовательных учреждений
машиностроительных и металлургических специальностей.
УДК 62.412
ББК 34.51
ISBN 978-5-7325-0622-8
©Издательство «Политехника», 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ ........................ 4
Глава1. МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ 6
1.1. Требования, предъявляемые к литейным сплавам...... 7
1.2. Материалы, применяемые при обработке давлением .. 39
1.3. Материалы в сварочном производстве .............. 47
1.4. Материалы специального машиностроения............ 51
Г л а в а 2. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК........ 65
2.1. Особенности формирования литых заготовок ........ 66
2.2. Способы получения литых заготовок................ 71
2.3. Способы получения заготовок обработкой давлением.102
2.4. Специальные способы получения заготовок .........150
Г л а в а 3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ .................178
3.1. Технологические требования к конструкции литых деталей ... 181
3.2. Технологические требования к конструкции деталей, получае-
мых обработкой давлением..............................207
3.3. Технологические требования к упрочняющей обработке деталей
машин ................................................217
3.4. Формализация понятия «технологичность детали» ...232
Г л а в а 4. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗА-
ГОТОВКИ ..............................................241
4.1. Факторы, влияющие на себестоимость производства заготовок
в машиностроении......................................242
4.2. Основные положения к выбору рациональной заготовки .... 246
4.3. Основные положения к выбору способа литья........252
4.4. Основные положения к выбору способа обработки давлением . . . 260
4.5. Технико-экономический сравнительный анализ ......268
4.6. Приближенные методы оценки технико-экономических показа-
телей ................................................279
4.7. Формализация задачи выбора рационального способа получения
заготовки ............................................285
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ЗАГОТОВОК .............................................296
5.1. Основы технико-экономического обоснования приоритетных на-
правлений технического перевооружения и реконструкции заго-
товительного производства ............................297
5.2. Основы структурно-факторного анализа технологического про-
цесса при выборе способа получения заготовки..........322
5.3. Методика определения материала штампа для мелкосерийного
производства штамповок ...............................330
5.4. Формализация определения положения плоскости разъема
штампа................................................433
5.5. Концепция автоматизированного проектирования горячештам-
пованных поковок в мелкосерийном производстве.........349
ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................357
ПРИЛОЖЕНИЕ 2..........................................366
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................378
3
Светлой памяти
Маргариты Владимировны Магницкой
посвящается
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Необходимость экономии материальных ресурсов предъяв-
ляет высокие требования к рациональному выбору загото-
вок, к уровню их технологичности, в значительной степени
определяющей затраты на технологическую подготовку про-
изводства, себестоимость, надежность и долговечность изде-
лий. Правильно выбрать способ получения заготовок — зна-
чит определить рациональный технологический процесс ее
получения с учетом материала детали, требований к точнос-
ти ее изготовления, технических условий, эксплуатацион-
ных характеристик и серийности выпуска.
Ведущая отрасль современной промышленности — ма-
шиностроение располагает большим количеством способов
получения деталей, необходимых народному хозяйству. Это
многообразие, с одной стороны, дает возможность существен-
но повысить эксплуатационные характеристики машин и
механизмов за счет использования, а в некоторых случаях
и улучшения свойства исходного материала, с другой —
создает большие трудности при выборе рационального, эко-
номичного способа получения той или иной детали. Для
принятия правильного решения необходим комплексный
анализ технико-экономической эффективности рассматри-
ваемых вариантов, при сравнении которых следует помнить
об их народнохозяйственном аспекте, учитывать экономи-
ческие интересы предприятий. Но во всех случаях приня-
тый вариант должен способствовать повышению эффектив-
ности труда, снижению материалоемкости, повышению про-
изводительности и улучшению качества изделий.
Особенно важно правильно выбрать вид заготовки, на-
значить наиболее рациональный технологический процесс
ее изготовления в условиях автоматизированного производ-
ства, когда размеры детали при механической обработке
получаются «автоматически» на предварительно настроен-
ных агрегатных станках или станках с числовым программ-
ным управлением (ЧПУ). В этом случае недостаточные при-
пуски так же вредны, как и излишние, а неравномерная
твердость материала или большие уклоны на заготовке мо-
4
гут вызвать значительные колебания в допусках размеров
готовой детали вследствие закона копирования или значи-
тельных упругих деформаций системы «станок—деталь».
Все это приобретает особую актуальность в условиях инди-
видуального и мелкосерийного производств.
В технической литературе имеется большое количество
работ, посвященных технологическим вопросам получения
заготовок в машиностроении. Однако вопросам рациональ-
ного, экономически обоснованного выбора оптимальной для
данного производства заготовки все еще уделяется недоста-
точно внимания.
Второе издание книги «Производство заготовок в маши-
ностроении» авторами представлено в переработанном и до-
полненном виде. Изложены основы технико-экономическо-
го сравнительного анализа, в предельно сжатой форме по-
казаны технические возможности некоторых способов по-
лучения заготовок и деталей в машиностроении, обращено
особое внимание на преимущества и недостатки этих спосо-
бов. Выделены в отдельную главу вопросы, связанные с тех-
нологичностью конструкции детали для того или иного спо-
соба ее получения. Показан возможный путь автоматиза-
ции одного из самых трудоемких процессов в технологи-
ческой подготовке производства — выбора рационального
способа получения заготовки. В отдельной главе рассмотре-
ны особенности производства заготовок в условиях мелко-
серийного производства.
Излагаемые рекомендации не следует рассматривать как
обязательные во всех случаях, так как окончательное ре-
шение может быть получено только в результате учета кон-
кретных производственных условий.
Применение в проектных организациях, конструктор-
ских бюро и на промышленных предприятиях разработан-
ной методики позволит отказаться от выбора способа полу-
чения заготовки, базирующегося не только на опыте, а под-
час на волевом решении, и рекомендовать наилучший из
возможных вариантов, что, несомненно, будет содейство-
вать повышению эффективности производства.
Глава 1
МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОМ
МАШИНОСТРОЕНИИ
Развитие материалов с давних времен определялось мно-
гообразием способов их переработки, которое обусловлено
разнообразными требованиями, предъявляемыми потреби-
телем. Связь между уровнем технологии получения и обра-
ботки материала и создаваемой техникой в настоящее вре-
мя стала еще более тесной.
Достижения ученых и даже филигранная работа инже-
нерного корпуса конструкторов могут быть сведены на нет
отступлением от технологических процессов изготовления уз-
лов конструкций и условий их эксплуатации. Выполнение
требований по обоснованному выбору конструкционных ма-
териалов, оптимальному проектированию и конструирова-
нию, строгому соблюдению технологических процессов изго-
товления полуфабрикатов и изделий из них, как известно,
определяется законами общества. В этом случае качество об-
щественной продукции не должно зависеть от субъективных
моментов, «застойных» явлений, «опережающих» направ-
лений и других негативных факторов.
Если это будет выполняться, то явление «деградации свойств
металла в конструкции» потеряет свой смысл. Разве только не-
достаточная изученность отдельных явлений или недостаточно
глубокое их понимание может повлиять на работоспособность
материалов в конструкциях и их преждевременное разрушение.
Отметим еще одну особенность рационального конструи-
рования в постоянно усложняющихся условиях эксплуата-
ции новой техники.
Было время, когда новые стали и сплавы разрабатывались
вообще, в надежде на будущее их использование. Затем стало
правилом, что новый материал разрабатывался применитель-
но к новым условиям его работы (например, создание конст-
рукционных материалов для оболочек ТВЭЛов, корпусных кон-
струкций судов и т. п.). Сейчас в ряде случаев стало необходи-
мым разрабатывать конструкцию ответственного узла или эле-
менты конструкции одновременно с разработкой новых
материалов, т. е. физику и конструктору необходимо работать
в тесном контакте с металловедом и технологом.
Создание новых материалов и разработка передовых тех-
нологий не только позволяет уменьшить массу машин,
6
приборов и конструкций, но дает возможность создать но-
вые, не имеющие аналогов механизмы.
Научно-техническая революция и появление таких но-
вых отраслей техники, как ракетостроение, энергетика, уп-
равление термоядерными процессами, освоение космоса,
физика высоких энергий также обязаны прогрессу в облас-
ти материаловедения.
Для обоснованного выбора конструктор должен иметь
отчетливое представление о возможностях, которыми рас-
полагают современные материалы и технологии.
Из многообразия свойств материалов при конструирова-
нии деталей основное внимание обычно уделяется прочнос-
ти и жесткости, вязкости и пластичности, жаропрочности
и хладостойкости, коррозионной стойкости, снижению мас-
сы конструкции.
Различают физические, химические, технологические и
механические свойства материалов.
Физические свойства определяют поведение материалов
в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиа-
ционных полях. К физическим свойствам относятся плот-
ность, теплоемкость, температура плавления, термическое
расширение, магнитные характеристики, теплопроводность,
электропроводность.
Под химическими свойствами понимают способность ма-
териалов вступать в химическое взаимодействие с другими
веществами, сопротивляемость окислению, проникновению
газов и химически активных веществ. Типичным приме-
ром химического взаимодействия металла и среды являет-
ся коррозия.
Технологические свойства металлов и сплавов определя-
ют их способность подвергаться выплавке, деформации в го-
рячем и холодном состояниях, обработке резанием, терми-
ческой обработке, сварке.
Целесообразность применения тех или иных материалов
определяется не только их конструктивными свойствами,
но и экономичностью, что в значительной степени зависит
от технологических свойств.
1.1. Требования, предъявляемые к литейным сплавам
На стоимость отливок большое влияние оказывают не
только химический состав материала, но и его технологи-
ческие свойства, т. е. способность точно воспроизводить очер-
7
Предел прочности, МПа
Рис. 1.1. Механические свойства литейных
сплавов [47]:
1 — оловянная бронза; 2 — алюминиевые сплавы;
3 — безоловянные латуни и бронзы; 4 — серый
чугун; 5 — ковкий чугун; 6 — высокопрочный
чугун; 7 — углеродистая сталь; 8 — легированная
сталь; 9 — титановые сплавы
тания формы, не об-
разовывать усадоч-
ной и газовой порис-
тости, раковин.
Кроме того, тре-
бования к техноло-
гическим свойствам
литейных сплавов мо-
гут изменяться в за-
висимости от способа
получения отливки.
Поэтому целесооб-
разно дать краткое
описание литейных
сплавов и требований
к ним.
К металлам и спла-
вам, используемым
при изготовлении от-
ливок, предъявляются следующие требования:
1) состав их должен обеспечивать получение в отлив-
ке заданных физико-механических и физико-химических
свойств; свойства и структура должны быть стабильными
в течение всего срока эксплуатации отливки (на рис. 1.1
отражены соотношения между прочностью и пластичнос-
тью основных литейных сплавов);
2) они должны обладать хорошими литейными свойства-
ми (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой
склонностью к образованию трещин и поглощению газов,
герметичностью), хорошо свариваться;
3) должны легко обрабатываться режущим инструментом;
4) не должны быть токсичными и вредными для произ-
водства;
5) необходимо, чтобы они обеспечивали технологичность
в условиях производства и были экономичными, содержа-
ли дешевые, недефицитные элементы.
Удовлетворение перечисленных выше требований являет-
ся трудной, а в условиях реального производства подчас не-
выполнимой задачей. Поэтому при выборе сплава следует
руководствоваться одним или группой требований, которым
подчиняются другие, второстепенные для данных условий.
Прежде всего, литейные сплавы должны удовлетворять
эксплуатационным требованиям, т. е. обладать достаточны-
ми прочностью, твердостью, пластичностью, малой хрупко-
8
стью, высокой ударной вязкостью. Если это необходимо, то
и особыми физическими и физико-механическими свойства-
ми — электропроводностью, магнитной проницаемостью, жа-
ростойкостью и т. п. Это вынуждает применять большое
число различных сплавов. В основные ГОСТы входят около
300 литейных сплавов, кроме того, в различных ведомствен-
ных справочниках насчитывается еще около 450 литейных
сплавов.
Наибольшее количество фасонных отливок для различ-
ных областей промышленности изготовляют из сплавов на
основе железа (стали и чугуны), меди (бронзы и латуни),
алюминия, магния и титана. В некоторых областях про-
мышленности используют сплавы на основе никеля, цин-
ка, кобальта, свинца и олова.
Однако не все сплавы в одинаковой степени пригодны
для получения фасонных отливок. Из одних сплавов (серо-
го чугуна, оловянистой бронзы, силуминов) можно доста-
точно легко получить сложные тонкостенные отливки, из
других сплавов (титановых, латуней, легированных сталей)
получение отливок сопряжено с большими трудностями.
Возможность получения доброкачественных тонкостенных
отливок, сложных по форме, крупногабаритных, без рако-
вин, трещин и других литейных дефектов предопределяет-
ся литейными свойствами сплавов.
Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в жид-
ком состоянии заполнять форму и воспроизводить в отливке
ее очертания. Природа жидкотекучести очень сложна и за-
висит от многих факторов, которые можно разделить на сле-
дующие группы.
К первой группе относятся факторы, связанные
со строением и свойствами металлов в жидком состоянии
(природа сплава, вязкость, теплоемкость, теплопроводность
и т. д.). Особенно высокой жидкотекучестью обладают си-
лумины, чугуны, безоловянные бронзы. Из этих сплавов
можно получать очень сложные, тонкостенные отливки.
Средней жидкотекучестью обладают сплавы алюминия с ме-
дью и магнием, оловянные бронзы, углеродистые и средне-
легированные стали. Пониженная жидкотекучесть наблю-
дается у магниевых сплавов.
Ко второй группе относятся факторы, определя-
емые условием заливки, подводом жидкого металла к фор-
ме, т. е. технологическим процессом литья.
К третьей группе относятся факторы, определя-
емые способом получения отливок. Так, при литье под дав-
9
лением и при центробежном литье жидкотекучесть повы-
шается за счет принудительного заполнения формы. Она
повышается и при литье по выплавляемым моделям, так
как металл заливается в горячую форму. Жидкотекучесть
падает при литье в металлические формы в силу более ин-
тенсивного теплообмена между заливаемым металлом и бо-
лее холодной формой.
Склонность к поглощению газов — способность литей-
ных сплавов поглощать газы, которые являются вредными
примесями и приводят к браку по газовой пористости в от-
ливках. В значительной степени на образование газовой по-
ристости влияет материал формы: чем выше газопроницае-
мость формы, тем меньше образуются подобные дефекты
в отливках. В этом отношении более склонны к образова-
нию газовой пористости способы, использующие металли-
ческие формы (литье под давлением, литье в кокиль и др.).
Усадка — уменьшение линейных и объемных размеров
отливки при ее затвердевании и охлаждении. Усадка зави-
сит от химического состава сплава, температуры расплава,
материала формы и конструкции отливки. Чем больше усад-
ка, тем больше вероятность получения дефектов усадочно-
го происхождения: пор, раковин, горячих и холодных тре-
щин, коробления и внутренних напряжений.
При выборе технологического процесса литья, при кон-
струировании литой детали обязательно следует учитывать
склонность данного сплава к усадке. Чем больше усадка
сплава, тем жестче требования к конструкции литой дета-
ли, особенно к наличию тепловых узлов (массивных частей
отливки), толщине стенок и сопряжению элементов отлив-
ки. Отливки из сплавов, склонных к большой усадке, не
рекомендуется изготавливать в металлических формах, ко-
торые обладают низкой податливостью, так как это может
привести к короблению отливок, возникновению внутрен-
них напряжений и трещин.
Ликвация — неоднородность сплава по химическому со-
ставу в различных частях отливки. Ликвация возрастает
при увеличении в сплаве содержания примесей, имеющих
большую плотность (вольфрам, молибден) или низкую тем-
пературу плавления (сера, фосфор). Различают ликвацию
зональную, когда различные части отливки имеют различ-
ный химический состав, и внутрикристаллитную (дендрит-
ную), когда неоднородность химического состава наблюда-
ется в каждом зерне. Зональная ликвация наиболее опасна,
так как ее нельзя устранить термической обработкой. Чем
10
больше объем отливки и медленнее охлаждение, тем боль-
ше вероятность образования зональной ликвации.
Характерным для зональной ликвации является то, что
наружные участки и тонкие стенки отливки, охлаждаемые
в первую очередь, содержат меньше ликвируемых элемен-
тов, чем застывающие позже массивные части. Не рекомен-
дуется применять сплавы, склонные к повышенной ликва-
ции, для центробежного литья.
Сильно ликвируют сплавы, компоненты которых не ра-
створимы друг в друге и не образуют ни химических соеди-
нений, ни эвтектических смесей (например, свинцовистая
бронза). Неметаллические включения в затвердевшем сплаве
нарушают сплошность и единообразие его структуры, яв-
ляются концентраторами напряжений. Некоторые неметал-
лические включения могут понижать химическую стойкость
сплавов, образуя с основным металлом гальванические пары.
Наличие неметаллических включений понижает механиче-
ские свойства отливок.
Кроме перечисленных свойств литейные сплавы должны
обладать хорошей свариваемостью, так как многие литей-
ные дефекты могут быть исправлены путем заварки.
Таким образом, при конструировании литой детали, вы-
боре способа получения отливки особое внимание следует
обращать на литейные свойства сплава, без учета которых
даже при самом совершенном технологическом процессе ли-
тья получить отливку без литейных дефектов невозможно.
Значение технологических свойств литейных сплавов
очень велико и должно быть учтено при выборе материала
детали при изготовлении ее из отливки. Во всех случаях,
при прочих равных условиях, следует отдавать предпочте-
ние сплавам с лучшими литейными свойствами. Ниже бу-
дут рассмотрены свойства и области применения основных
литейных сплавов.
Чугун является наиболее распространенным материалом
для изготовления фасонных отливок. Чугунные отливки
по массе составляют около 80 % от общего числа отливок.
Широкое распространение чугун получил благодаря хо-
рошим технологическим свойствам и относительной деше-
визне по сравнению с другими литейными сплавами. Об-
ласть применения чугуна все больше расширяется вслед-
ствие непрерывного повышения его прочностных и техно-
логических характеристик, а также разработки чугунов
новых марок со специальными физическими и механиче-
скими свойствами.
11
Основным компонентом, оказывающим существенное
влияние на свойства чугуна, является углерод. При этом
имеет значение не только общее содержание углерода, но и
форма, в которой он содержится в чугуне: в виде графита
(серый чугун) или цементита (белый чугун).
Серый чугун — наиболее дешевый литейный сплав. Облада-
ет сравнительно высокими механическими свойствами, отно-
сительно низкой температурой плавления и очень хорошими
литейными свойствами. Жидкотекучесть серого чугуна значи-
тельно превышает жидкотекучесть стали. Размер усадки ко-
леблется от 0,9 до 1,3 %, что является существенным факто-
ром, обусловливающим получение качественных отливок, без
усадочных раковин, трещин, коробления и других дефектов.
Серый чугун малочувствителен к надрезам, выточкам,
буртикам и другим концентраторам напряжений. Это объяс-
няется наличием графитовых включений, которые уже как
бы являются внутренними «надрезами», и добавление к ним
новых наружных надрезов мало отражается на снижении
прочности. Серый чугун обладает способностью рассеивать
вибрационные колебания при переменных нагрузках, по-
этому детали станин металлорежущих станков, детали ди-
зелей, компрессоров отливают из серого чугуна, а не из ста-
ли. Использовать серый чугун для деталей машин, подвер-
гающихся ударным нагрузкам, нельзя, так как он хрупок
и обладает низкой пластичностью. Недостатком серого чу-
гуна как литейного сплава является отбел поверхности, осо-
бенно при литье в металлические формы.
На механические свойства серого чугуна (табл. 1.1) ос-
новное влияние оказывают количество, форма и распреде-
ление графитовых включений и прочность основной метал-
лической массы.
Серые чугуны подразделяют на две группы: конструкци-
онные чугуны и чугуны со специальными свойствами. От-
ливки из конструкционных чугунов используют главным
образом для деталей машин (до 80 % всех производимых
чугунных отливок).
Потребителями чугунного литья являются такие отрас-
ли промышленности, как автомобильная, тракторная, сель-
скохозяйственная, машино-, станкостроение и др. Качество
отливок этой группы определяется механическими свойства-
ми чугуна. Отливки малой или средней прочности (предел
прочности до 200-250 МПа) изготовляют из простых чугу-
нов, отливки повышенной прочности — из низколегирован-
ных и модифицированных (табл. 1.2).
12
Таблица 1.1
Химический состав и механические свойства отливок из серого чугуна
Марка Массовое содержание элементов, % <*в. МПа Ои> МПа Твердость НВ
С Si Мп Р S МПа кгс/мм2
не более
счю 3,5- 3,7 2,2- 2,6 0,5- 0,8 0,3 0,15 98 274 1402- 2246 143- 229
СЧ15 3,5- 3,7 2,0- 2,4 0,5- 0,8 0,2 0,15 147 314 1599- 2246 163- 229
СЧ18 3,4- 3,6 1,9- 2,3 0,5- 0,7 0,2 0,15 176 358 1668- 2246 170- 229
СЧ20 3,3- 3,5 1,4- 2,2 0,7- 1,0 0,2 0,15 196 392 1668- 2364 170- 241
СЧ24 3,2- 3,4 1,4- 2,2 0,7- 1,0 0,2 0,15 235 481 1668- 2364 170- 241
СЧ25 3,2- 3,4 1,4- 2,2 0,7- 1,0 0,2 0,15 245 451 1766- 2452 180- 250
СЧЗО 3,0- 3,2 1,0- 1,3 0,7- 1,0 0,2 0,12 294 490 1775- 2501 181- 256
СЧ35 2,9- 3,0 1,0- 1,1 0,7- 1,1 0,2 0,12 343 539 1932- 2638 197- 269
СЧ40 2,5- 2,7 2,5- 2,9 0,2— 0,4 0,02 0,02 392 588 2030- 2795 207- 285
СЧ45 2,2- 2,4 2,5- 2,9 0,2- 0,4 0,02 0,02 441 637 2246- 2835 229- 289
Для получения однородных и повышенных механиче-
ских свойств отливок из чугунов марок СЧ20, СЧ25, СЧЗО,
СЧ35 и СЧ40, а также для предотвращения отбела чугун
модифицируют. Хотя модифицирование чугуна и уменьшает
его склонность к отбеливанию, для каждой марки суще-
ствуют минимальные толщины стенок отливок, получаемые
без структуросвободного цементита (рис. 1.2).
Для получения отливок со специальными свойствами ис-
пользуют такие свойства чугуна, как термо-, росто- и жаро-
стойкость, коррозионная стойкость, специальные электромаг-
нитные свойства. В большинстве случаев такие отливки из-
готовляют из низко- и среднелегированных чугунов.
13
Таблица 1.2
Характеристика и примеры применения отливок из серого чугуна
Марка Характеристика Примеры применения
СЧ10 Неответственное литье, которому предъявля- ется главным образом требование легкости обработки, а не проч- ности Плиты, грузы, корыта, крышки, кожу- хи, основания с привертиыми направ- ляющими
СЧ15 Малоответственное ли- тье с толщиной стен- ки 8-15 мм; невысо- кие требования к из- носостойкости Детали сложной конструкции при недо- пустимости большого коробления и не- возможности проведения их старения; маховики, шкивы, поршневые кольца, арматура, сосуды, работающие под дав- лением; тонкостенные отливки с разви- тыми габаритными размерами неболь- шой массы; детали весов, текстильных, печатных, швейных, счетных и дру- гих машин
СЧ18 Ответственное литье с толщиной стенки 8-25 мм Основания станков, детали корпусов, крупные шкивы, зубчатые колеса, бло- ки цилиндров, поршни и поршневые кольца. Детали, подвергающиеся сред- ним напряжениям и давлениям
СЧ20 Ответственное литье с толщиной стенки 10-30 мм; детали, тре- бующие значительной прочности и работаю- щие при температуре до 300 °C Корпуса, блоки цилиндров, зубчатые ко- леса, станины с направляющими боль- шинства металлорежущих станков, дис- ки сцепления, тормозные барабаны
СЧ24 Ответственное литье с толщиной стенки 20-40 мм; детали, ра- ботающие при темпе- ратуре до 300 °C Блоки автомобильных цилиндров, гиль- зы двигателей, поршни, тяжелонагру- женные зубчатые колеса, кокильные формы
СЧ25 Ответственное слож- ное литье с толщиной стенки 20-60 мм; де- тали, работающие при температуре до 300 °C Корпуса насосов и гидроприводов, поршни и гильзы дизелей и бескла- панных двигателей, цилиндры и голов- ки дизелей, рамы, штампы для хо- лодной вытяжки и другие детали, работающие под высоким давлением; блоки цилиндров, головки блоков, гильзы автомобилей и тракторов, ста- нины
14
Продолжение табл. 1.2
Марка Характеристика Примеры применения
СЧЗО Ответственное высоко- нагруженное литье с толщиной стенки 20-100 мм; детали, ра- ботающее при темпе- ратуре до 300 °C Цилиндры и крышки паровых машин, малые коленчатые валы; клапаны и ку- лачки распределительных механизмов, зубчатые колеса; цепные звездочки, тормозные барабаны, муфты, диски сцепления, клапаны, поршневые коль- ца; станины ножниц и прессов, блоки и плиты многошпиндельных станков, ста- нины интенсивно нагруженных станков
СЧ35 Ответственное тяжело нагруженное литье с толщиной стенки бо- лее 20 мм Крупные толстостенные втулки, зубча- тые колеса, крупные коленчатые валы; цепные звездочки, зубчатые и червяч- ные колеса, тормозные барабаны, муф- ты, диски сцепления, клапаны, поршне- вые кольца
Ковкий чугун (табл. 1.3) в основном является конструкци-
онным материалом, используемым для изготовления мелких
тонкостенных отливок (толщина стенок не более 40-50 мм)
для сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов,
арматуры, фитингов и других деталей массового производ-
ства. Особенно целесообразно
применение ковкого чугуна
в случае, если деталь труд-
но отлить из стали, а полу-
чить ее обработкой давлени-
ем слишком дорого. Благода-
ря хлопьевидной форме гра-
фита ковкий чугун отличает-
ся высокими прочностью и
пластичностью, занимая про-
межуточное положение меж-
ду серым чугуном и сталью.
В зависимости от состава
и микроструктуры металли-
ческой основы ковкий чугун
делят на два класса: феррит-
ный и перлитный.
Ковкий чугун ферритного
класса обладает повышенны-
ми пластичностью, сопротив-
ляемостью ударным нагруз-
Толщина стенки отливки, мм
Рис. 1.2. Механические свойства чу-
гунов в зависимости от толщины
стенки отливок (А — область отбела)
15
блица 1.3 Твердость НВ 1 кгс/мм2 1 100-163 100-163 110-163 1 150-207 212-269
cd Ь д МПа 981-1599 1 981-1599 1079-1599 1 1471-2030 2079-2638
£ я X 8, % ф ф я ф © 10 СО СО
X д и о а Св. МПа 2 ф я 1 294 333 со © со 637
X 2 & о h о 00 о о 0,06 СО 00 О Ф О Ф 00 ф о"
О X Ф № Л и асе | 0,20 1 0,20 0,06 асе 1 0,20 I © о о
д ь ф 5Я о я о ь я сь : й к л 0,18] 0,12 0Д2 | : й к л ОДО 0,10
о ф S а ф ф sr S ф Ч ф ф Я § Мп р И т н ы 0,4-0,61 0,3-0,6 0,2-0,4 л и т н ы 0,3-1,0 0,3-1,0
S № Д X ф Я * о. ф 5 ф 8 С + Si Фер 3,7-4,2 3,6-4,0 3,6-4,0 | Пер 3,6-3,9| 3,6-3,9
й состав о «5 СЙ 1,0-0,6 1,1-1,3 |г'т-Г1 1,2-1,4
Я а ф ф sr я S О 2,6-2,9 2,5-2,8 2,4-2,7 2,5-2,8 2,4-2,7
и Способ выплавки 1 1 1 1 р в 5 X а 3 | Электропечь | | Вагранка Электропечь
Марка КЧЗО-6 КЧ35-10 КЧ37-12 КЧ45-7 КЧ65-3
кам и однородностью ме-
ханических свойств по
сечению отливок. Для
ковкого чугуна перлит-
ного класса характерны
высокие прочность и из-
носостойкость, средняя
пластичность, хорошие
антифрикционные свой-
ства. Однако ковкий чу-
гун обладает более низ-
кими литейными свой-
ствами, чем серый,
в частности пониженной
жидкотекучестью, боль-
шей усадкой и повышен-
ной склонностью к тре-
щинообразованию.
Высокопрочный чугун
с шаровидной формой
графита широко исполь-
зуется как конструкци-
онный материал в совре-
менном машинострое-
нии (табл. 1.4, 1.5).
По литейным свойст-
вам высокопрочные чу-
гуны приближаются
к сталям, т. е. имеют
пониженную жидкоте-
кучесть, повышенную
усадку, а следователь-
но, повышенную склон-
ность к образованию де-
фектов литейного про-
исхождения. Себестои-
мость отливок из высо-
копрочного чугуна с ша-
ровидным графитом
в среднем на 25 % ниже
себестоимости отливок
из углеродистой стали и
в три-четыре раза ниже
себестоимости стальных
16
Таблица 1.4
Химический состав высокопрочных чугунов с шаровидным графитом
Марка Массовое содержание элементов, %
С Si Мп S Си
Толщина стенки отливки, мм
До 50 Св. 50 до 100 Св. 100 До 10 Св. 10 до 30 Св. 30 до 50 Св. 50 до 100 Св. 100 Не более
ВЧ38-17 3,3-3,6 3,0-3,3 2,7-3,2 2,4-2,7 1,9-2,2 1,6-1,9 1,3-1,7 0,8-1,5 — 0,02 —
ВЧ42-12 2,1-2,7 1,8-2,2 1,5-1,9 1,2-1,7 0,5-1,5 0,3-0,6 —
ВЧ45-5 2,4-2,7 1,9-2,2 1,6-1,9 1,3-1,7 0,5-1,5 0,4-0,7 —
ВЧ50-7 2,2-2,7 1,8-2,2 1,5-1,9 1,2-1,7 0,8-1,5 0,3-0,7 —
ВЧ50-2 2,0-2,7 1,7-2,8 1,4-1,9 1,1-1,7 0,6-1,5 0,4-0,7 —
ВЧбО-2 2,4-2,8 2,4-2,8 2,2-2,6 2,2-2,6 — 0,3
ВЧ70-2 — 3,2-3,6 — — — — 2,6-2,9 — 0,15 0,4
ВЧ80-2 3,2-3,6 — — 2,6-2,9 2,6-2,8 2,6-2,9 — — 0,01 0,6
ВЧ100-2 — — — 3,4-3,8 3,4-3,8 — — — —
ВЧ120-2 — — — — — — —
Примечание. Для марок ВЧ100-2, ВЧ120-2 содержание никеля не более 0,8 %; для всех марок — фосфора не более 0,1 %.
Таблица 1.5
Механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Марка Ов от 8, % Твердость НВ
МПа, не менее МПа кгс/мм2
ВЧ38-17 373 235 17 1373-1668 140-170
ВЧ42-12 412 274 12 1373-1962 140-200
ВЧ45-5 441 333 5 1570-2158 160-220
ВЧ50-7 490 343 7 1678-2364 171-241
ВЧ50-2 490 343 2 1766-2550 180-260
ВЧ60-2 600 393 2 1962-2747 200-280
ВЧ70-2 686 441 2 2246-2943 229-300
ВЧ80-2 784 490 2 2453-3237 250-330
ВЧ100-2 981 686 2 2649-3532 270-360
ВЧ120-2 1177 882 2 2963-3728 302-380
поковок. Однако тонна отливок из высокопрочного чугуна
на 20 % дороже тонны отливок из серого чугуна, поэтому
заменять серый чугун на высокопрочный целесообразно
лишь в том случае, если при этом уменьшается масса дета-
ли или увеличивается срок ее службы. В табл. 1.6 приведе-
но изменение оптовых цен на некоторые массовые группы
отливок из различных чугунов.
Из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом от-
ливают ответственные тяжелонагруженные и толстостенные
детали: крупные коленчатые валы, шестерни, прокатные
валки и другие детали прокатного и кузнечно-прессового
оборудования, работающие в условиях ударных нагрузок.
В настоящее время доказаны возможность и экономиче-
ская эффективность перевода ряда деталей, изготовляемых
из стальных отливок и поковок, на отливки из высокопроч-
ного чугуна.
Как известно, чугуны являются наиболее дешевыми ли-
тейными сплавами, обладающими высокими механическими
и литейными свойствами, что делает их прекрасным матери-
алом для литых заготовок машиностроительных деталей.
Сталь как литейный материал применяют для получе-
ния отливок деталей, которые наряду с высокой прочнос-
тью должны обладать хорошими пластическими свойства-
ми, быть надежными и долговечными в эксплуатации. Чем
18
Таблица 1.6
Изменение оптовых цен на отливки из чугуна
Марка Масса ОТЛИВКИ, кг Группа сложности
1 2 3 4 5
СЧ10, СЧ15, СЧ18 10,0-16,0 1,00 1,23 1,48 1,76 2,09
40,0-63,0 0,89 1,10 1,32 1,59 1,90
630-1000 0,74 0,92 1,09 1,31 1,60
СЧ20, СЧ25, СЧЗО 10,0-16,0 1,05 1,30 1,55 1,83 2,17
40,0-63,0 0,94 1,17 1,39 1,66 1,97
630-1000 0,79 0,99 1,16 1,39 1,67
ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2 10,0-16,0 1,23 1,49 1,77 2,07 2,43
40,0-63,0 1,11 1,34 1,61 1,89 2,23
630-1000 0,95 1,10 1,38 1,61 1,95
КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10.КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2 10,0-16,0 1,13 1,39 1,67 1,96 2,32
40,0-63,0 1,02 1,27 1,51 1,79 2,12
630-1000 0,88 1,08 1,27 1,51 1,82
ответственнее машина и тяжелее условия, в которых она
работает, тем более значительна доля стальных отливок,
идущих на ее изготовление.
Например, масса стальных литых деталей в экскаваторе
составляет 45 %, в тепловозе — 50 %, в тепловой армату-
ре — 60 % от общей массы машины. Многие стали хорошо
свариваются, что дает возможность изготавливать сложные
сварно-литые конструкции. Стальные отливки без литейных
дефектов (усадочных и газовых раковин, неметаллических
включений, трещин и т. п.) после соответствующей термооб-
работки не уступают по механическим свойствам поковкам.
Применительно к машиностроению литейные стали ус-
ловно можно разделить на три группы: конструкционные
(нелегированные и легированные), инструментальные и ста-
ли со специальными свойствами.
Из конструкционных сталей в основном изготовляют де-
тали, испытывающие механические нагрузки — статиче-
ские, динамические, вибрационные. Из инструментальных
сталей изготавливают литой инструмент, из сталей со спе-
циальными свойствами (жаропрочные, жаро-, кислотостой-
кие, коррозионно-стойкие и т. д.) — детали, работающие
19
в различных агрессивных средах, при высоких температу-
рах, в условиях сложных механических нагрузок.
Из конструкционных нелегированных сталей получают
около 2/3 стальных фасонных отливок. По литейным свой-
ствам эти стали уступают чугуну, но тем не менее из них
можно изготавливать сложные отливки, разнообразные по
конструкции, размерам, массе, толщине стенок для различ-
ных отраслей промышленности. После термической обра-
ботки литая конструкционная нелегированная сталь обла-
дает высокими механическими свойствами (табл. 1.7).
Жидкотекучесть нелегированной конструкционной стали
в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов
и определяется содержанием углерода в стали — по мере
увеличения содержания углерода жидкотекучесть возраста-
ет. Низкоуглеродистые стали марок 15Л и 20Л применяют
обычно для изготовления несложных литых частей сварно-
литых конструкций, так как эти стали обладают понижен-
ной жидкотекучестью. Разнообразные по массе и конфигу-
рации фасонные отливки для различных отраслей промыш-
ленности в основном изготовляют из среднеуглеродистых ста-
лей марок 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л. Литейные свойства этих
сталей выше, чем низкоуглеродистых.
Высокоуглеродистые стали марок 45Л, 50Л, 55Л приме-
няют для изготовления износостойких деталей (зубчатых
Таблица 1.7
Механические свойства фасонных отливок
из конструкционной нелегированной стали после нормализации
Марка ст0,2 5
МПа %
15Л 400 200 24 35
20Л 420 220 22 35
25Л 450 240 19 30
ЗОЛ 480 260 17 30
35Л 500 280 15 25
40Л 530 300 14 25
45Л 550 320 12 20
50Л 580 340 11 20
55Л 600 350 10 18
20
колес, шестерен, барабанов, катков и т. и.). Эта группа ста-
лей обладает относительно хорошей жидкотекучестью. Для
них характерна высокая линейная усадка: у тонкостен-
ных отливок сложной конфигурации усадка составляет
1,25-1,5 %, у толстостенных — 2,0-2,5 %. Увеличение со-
держания углерода снижает линейную усадку, что умень-
шает опасность образования горячих трещин. С другой сто-
роны, высокоуглеродистые стали обладают наибольшей
склонностью к образованию холодных трещин.
Особенности литейных свойств конструкционных нелеги-
рованных сталей вызывают необходимость выполнения опре-
деленных требований при конструировании литых деталей.
Применение конструкционных легированных сталей яв-
ляется одним из путей увеличения надежности, долговеч-
ности изделий, снижения их массы. Низко- и среднелеги-
рованные стали по химическому составу можно разделить
на следующие основные группы:
• марганцовистые стали марок 20ГЛ, 35ГЛ, ЗОГСЛ,
20Г1ФЛ применяют для ответственных износостойких де-
талей железнодорожного транспорта;
• хромистые стали марок 32Х06Л, 40ХЛ используют для
изготовления деталей, работающих в условиях абразивного
изнашивания;
• хромомолибденовые стали марок 30ХМЛ, 35ХМЛ при-
меняют для деталей паровых турбин, арматуры, трубопро-
водов;
• сложнолегированные стали марок ЗОХНМЛ, 35ХГСЛ,
13ХНДФТЛ, 12ДХН1МФЛ используют для различных тя-
желонагруженных деталей. Механические свойства этих
сталей приведены в табл. 1.8.
Из сталей с особыми физическими, химическими и меха-
ническими свойствами (коррозионно-стойкие и жаропроч-
ные стали) изготовляют детали специального назначения.
Коррозионно-стойкие стали устойчивы к коррозии во влаж-
ной атмосфере, в речной воде, слабых органических средах.
Наибольшее распространение получили стали марок 15Х13Л,
20Х13Л, 20Х15МЛ, 10Х14НДЛ. Из этих сталей отливают
турбинные лопатки, различные клапаны, арматуру, товары
народного потребления.
К жаропрочным сталям относятся, например, марки
20Х21Н46В8Л, 12Х18Н12МЗТЛ, 08Х17Н34В5ТЗЮ2Л. Эти ста-
ли способны сопротивляться пластическим деформациям при
высоких температурах (до 800-900 °C). Их применяют для из-
готовления деталей паровых и газовых турбин, котлов.
21
Таблица 1.8
Механические свойства конструкционных легированных сталей
после термической обработки
Марка °0,2 8 KCV Термическая обработка
МПа % Дж/м2 кгс • м/см2
Не менее
20ГЛ 550 280 18 25 490 5 Нормализация, отпуск
35ГЛ 600 350 14 30 490 5 Закалка, отпуск
ЗОГСЛ 650 400 14 30 490 5
20Г1ФЛ 520 320 17 25 490 5 Нормализация, отпуск
20ФЛ 500 300 18 35 490 5
ЗОХГСФЛ 600 400 15 25 344 3,5
45ФЛ 700 500 12 20 292 3 Закалка, отпуск
32Х06Л 650 450 10 20 490 5
40ХЛ 650 500 12 25 392 4
35ХМЛ 700 550 12 25 392 4
зохнмл 700 550 12 20 292 3 Нормализация, отпуск
35ХГСЛ 800 600 10 20 392 4 Закалка, отпуск
35НГМЛ 750 600 12 25 392 4
20ДХЛ 650 550 12 30 392 4
20ХГСНДМЛ 650 500 12 20 392 4
08ГДНФЛ 450 350 18 30 490 5 Нормализация, отпуск
13ХНДФТЛ 500 400 18 30 490 5
12ДН2ФЛ 800 650 12 25 392 4 Закалка, отпуск
12ДНХ1МФЛ 1000 750 10 20 392 3
23ХГС2МФЛ 1300 1100 6 25 392 4
25Х2Г2ФЛ 1400 1200 5 25 392 4
Примечание. Механические свойства сталей могут изменяться в зависи-
мости от применяемой термической обработки, что также предусмотрено ГОСТом.
22
Жаростойкие стали марок 40Х9С2Л, 20Х25Н19С2Л,
45Х17Г13НЗЮЛ устойчивы к окислению при высоких тем-
пературах (до 800-1000 °C).
Кислотостойкие стали устойчивы к коррозии в агрессив-
ных средах — кислотах, растворах и т. п. В эту группу вхо-
дят стали марок 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н9ТЛ, 14Х18Н4Т4Л,
12Х25Н5ТМФЛ. Из указанных марок сталей изготовляют
детали для оборудования пищевой, химической промыш-
ленности, газовых и турбокомпрессорных машин. Однако
они имеют существенный недостаток — высокое содержа-
ние дорогостоящих элементов (в частности, никеля) и срав-
нительно невысокую прочность (предел прочности не пре-
вышает 450 МПа).
Для деталей, работающих в условиях ударных нагрузок
и абразивного изнашивания, используют износостойкие ста-
ли марок 75Х8Л, 110Г13Л и др.
Все группы высоколегированных хромистых и хромони-
келевых сталей мало отличаются друг от друга по литейным
свойствам: имеют высокую жидкотекучесть; линейная усад-
ка изменяется в широких пределах в зависимости от их струк-
туры. Хромистые коррозионно-стойкие стали обладают бо-
лее низкими литейными свойствами — пониженной жидко-
текучестью, повышенной усадкой, склонны к образованию
холодных трещин.
Изготовление стальных отливок значительно сложнее, чем
чугунных, так как литейные свойства у стали ниже, чем
у чугуна. Для предупреждения образования усадочной по-
ристости необходимы большие прибыли, объем которых мо-
жет достигать 60 % объема отливки, что приводит к увели-
чению расхода материала в 1,6 раза. Учитывая понижен-
ную жидкотекучесть стали, сечения литниковых каналов
необходимо увеличивать в 1,5-3,0 раза. Все это, естествен-
но, снижает коэффициент использования металла, повышает
себестоимость деталей.
В табл. 1.9 приведено изменение оптовых цен за тонну
стальных отливок для некоторых массовых групп. Следует
отметить, что для отливок одних и тех же массы и группы
сложности, изготовленных из чугуна и стали, цены на от-
ливки из конструкционных нелегированных и низколеги-
рованных сталей близки к ценам аналогичных отливок из
высокопрочного чугуна.
Учитывая более высокие литейные свойства высокопроч-
ных чугунов, их прочность и пластичность, необходимо
23
Таблица 1.9
Изменение оптовых цен на отливки из стали
Тип, марка Масса ОТЛИВКИ, кг Группа сложности
1 2 3 4 5
Нелегированная сталь, 15Л-55Л 10,0-16,0 1,00 1,24 1,47 1,78 2,08
40,0-63,0 0,91 1,13 1,34 1,64 1,94
630-1000 0,77 0,96 1,14 1,42 1,69
Низколегированная сталь: ЗОГСЛ, 20ГЛ, 35ГЛ, 40ХЛ, 35ХГСЛ, 32Х06Л 10,0-16,0 1,04 1,28 1,51 1,82 2,12
40,0-63,0 0,95 1,17 1,38 1,68 1,98
630-1000 0,81 1,00 1,18 1,46 1,73
Легированная сталь, ЗОХНМЛ 10,0-16,0 1,63 1,94 2,30 2,73 3,17
40,0-63,0 1,51 1,79 2,10 2,52 2,95
630-1000 1,33 1,54 1,80 2,16 2,58
Высоколегированная коррозионно-стойкая сталь, 15Х13Л, 20Х13Л 10,0-16,0 1,71 2,00 2,33 2,78 3,23
40,0-63,0 1,54 1,81 2,12 2,56 3,00
630-1000 1,26 1,48 1,77 2,19 2,59
Высоколегированная коррозионно-стойкая сталь, 07Х18Н9Л, 10Х18Н9Л 10,0-16,0 4,30 4,59 4,92 5,37 5,81
40,0-63,0 4,12 .4,39 4,70 5,14 5,58
630-1000 3,84 4,07 4,36 4,77 5,17
Высоколегированная коррозионно-стойкая сталь, 10Х18Н12МЗТЛ 10,0-16,0 7,02 7,31 7,64 8,09 8,53
40,0-63,0 6,84 7.11 7,42 7,86 8,30
630-1000 6,56 6,79 7,08 7,49 7,89
оценивать возможность замены стального литья на литье
из высокопрочного чугуна.
В структуре литейного производства литье из цветных
металлов и сплавов составляет около 4 %. Однако в послед-
ние годы наблюдается тенденция к более широкому исполь-
зованию цветных сплавов для получения фасонных от-
ливок. Этому способствует наличие ряда особых физико-
химических и физико-механических свойств, присущих
сплавам из цветных металлов, и, прежде всего, высокая
удельная прочность.
В табл. 1.10 представлены значения удельной прочности
некоторых материалов, определяемой как отношение пре-
дела прочности материала к его плотности. Как видно из
24
Таблица 1.10
Удельная прочность для некоторых материалов
Материал Плотность, г/см3 Предел прочности, МПа Удельная прочность
Сталь 40 7,7 600 78
Чугун СЧЗО 7,6 320 42
Алюминиевый сплав АМгб 2,7 300 111
Титановый сплав ВТ6 4,5 1000 222
Медный сплав ЛС59-1 8,89 400 45
данных таблицы, такие материалы, как алюминиевый и
титановый сплавы, имеют более высокую удельную проч-
ность, что позволяет при их применении значительно сни-
зить массу изделий.
Среди литейных материалов из сплавов цветных метал-
лов наиболее широкое применение нашли алюминиевые
сплавы. Отливки из алюминиевых сплавов составляют око-
ло 70 % общего выпуска цветного литья; 25 % составляют
отливки из медных сплавов.
В последние годы успешно осваиваются тугоплавкие ме-
таллы, в частности титан, что значительно расширило об-
ласть их применения, в том числе и для получения фасон-
ных отливок.
Получение отливок из алюминиевых сплавов в машино-
строительной промышленности нашло широкое применение,
прежде всего, благодаря высоким удельной прочности, тех-
нологичности и хорошим физико-механическим свойствам.
Химический состав и механические свойства некоторых из
них приведены в табл. 1.11 и 1.12. Более полно физико-
механические и технологические свойства алюминиевых
сплавов рассмотрены в работах [36, 37].
Наиболее высокими литейными свойствами обладают
сплавы системы алюминий—кремний, так называемые си-
лумины. Эти сплавы широко применяют в автомобильной,
авиационной, приборо-, машино-, судостроительной и элек-
тротехнической промышленности, так как они обладают
высокими литейными свойствами, хорошими пластичнос-
тью и механической прочностью, удовлетворительной кор-
розионной стойкостью. Из силуминов получают отливки де-
талей сложной конфигурации, работающих при средних и
значительных нагрузках.
25
to
Таблица 1.11
Химический состав и способы изготовления отливок из алюминиевых сплавов
Сплав Марка Массовое содержание основных элементов (основа — алюминий), % Способ литья
Mg S1 Мп Си Ni Ti Be Zr Zn Примеси Fe, не более
пов К д
Al—Si АЛ2 10,0- 13,0 0,70 1,00 1,50 ПОВКД
АЛ4 0,17- 0,3 8,0- 10,5 0,25- 0,5 0,60 0,90 1,00
АЛ9 0,2- 0,4 6,0- 8,0 0,60 1,0 1,50
Al—Si—Си АЛЗ 0,35- 0,6 4,5- 5,5 0,6- 0,9 1,5- 3,0 0,60 1,20 1,60
АЛ5 0,35- 0,6 4,5- 5,5 1,0- 1,5 0,60 1,00 ПОВК
Al—Си АЛ 7 4,0- 5,0 1,00 1,00
АЛ19 0,6- 1,0 4,5- 5,3 0,15- 0,35 0,20 0,30
Продолжение табл. 1.11
Сплав Марка Массовое содержание основных элементов (основа — алюминий), % Способ литья
Mg Si Мп Си Ni Ti Be Zr Zn Примеси Fe, не более
пов К д
А1—Mg АЛ8 9,3- 10,0 0,30 0,30 повк
АЛ13 4,5- 5,5 0,8- 1,3 0,1- 0,4 0,50 0,50 1,50 повкд
АЛ27 9,5- 10,5 0,05- 0,15 0,05- 0,15 0,05- 0,2 0,20 0,20 0,20 покд
Al — про- чие элемен- ты АЛ1 1,25- 1,75 3,75- 4,50 1,75- 2,26 0,70 0,80 повк
АЛ11 0,1- 0,3 6,0- 8,0 7,0- 12,0 0,70 1,20 1,50 повкд
АЛ 24 1,5- 2,0 0,2- 0,5 0,1- 0,2 3,5- 4,5 0,50 пов
АЛЗО 0,8- 1,3 11,0- 13,0 0,8- 1,5 0,8- 1,3 0,70 к
Примечание. Условные обозначения способов литья: п — в песчано-глинистые формы: в — по выплавляемым моделям;
к — в кокиль; д — под давлением; о — в оболочковые формы.
Таблица 1.12
Марки, механические свойства и области применения
литейных алюминиевых сплавов
Марка ав, МПа 8, % НВ, МПа (кгс/мм2) Область применения
не менее литого после ТО
лито- го после ТО ЛИТО- ГО после ТО
АЛ2 150 140 4 4 490 (50) 490 (50) Сложные детали, средние нагрузки
160 150 2,1 3,2
АЛ4 150 230 2 3 490 (50) 687 (70) Крупные детали, зна- чительные нагрузки
— 200 — 1,5 — —
АЛ9 160 140 2 2 — 442 (45) Сложные детали, средние нагрузки
170 — 1 — 490 (50) —
АЛЗ 160 — 0,5 — 637 (65) —
140 — 0,5 — 637 (65) —
— 150 — 1 — 637 (65)
АЛ5 — 160 — 0,5 — 637 (65) Крупные детали, зна- чительные нагрузки
АЛ7 — 200 — 6 — 589 (60) Простые детали, средние нагрузки
АЛ19 — 300 — 8 — 687 (70)
АЛ8 — 290 — 9 — 589 (60) Сложные, нагружен- ные детали
АЛ13 150 — 1 — 539 (55) — Литье с повышенной коррозионной стой- костью
170 — 0,5 — 539 (55) —
АЛ7 — 320 — 12 — 735 (75) Сложные, нагружен- ные детали
АЛ1 — 210 — 0,5 — 932 (95) Поршни, головки ци- линдров, работаю- щие при температу- ре до 300 °C
АЛ 11 200 — 2 — 784 (80) — Фасонные отливки для моторостроения
210 — 1 — 784(80) —
180 — 1 — 589 (60) —
АЛ24 220 270 2 2 589 (60) 687 (70) Сложные детали ра- дио- и электроаппара- туры
28
Продолжение табл. 1.12
Марка ов, МПа 8, % НВ, МПа (кгс/мм2) Область применения
не менее литого после ТО
лито- го после ТО ЛИТО- ГО после ТО
АЛЗО — 200 — 0,5 — 883 (90) Автомобильные пор- шни
Примечание. В таблице даны свойства сплавов без термообработки в литом
состоянии и после ординарной термообработки (ТО), применяемой для сплава.
Сплавы системы алюминий—медь обладают пониженны-
ми литейными свойствами, низкими пластичностью и кор-
розионной стойкостью, но хорошо обрабатываются резани-
ем. Вследствие широкого интервала кристаллизации спла-
вы этой системы склонны к образованию усадочных тре-
щин и рассеянной усадочной пористости. Особенность этих
сплавов — теплопрочность. Основная область применения —
самолетостроение.
Сложные алюминиевые сплавы, содержащие медь и крем-
ний обладают высокими жидкотекучестью, коррозионной
стойкостью, хорошей свариваемостью. Их применяют для
изготовления корпусов различных приборов, автомобильных
и тракторных поршней, деталей авиационных двигателей.
Алюминиево-магниевые сплавы из всех литейных алюми-
ниевых сплавов обладают наиболее высокими механическими
свойствами, пониженной плотностью, высокими коррозионной
стойкостью и прочностью. Их используют при изготовлении
отливок, испытывающих большие вибрационные нагрузки или
подвергающихся воздействию морской воды. Вследствие боль-
шой склонности к окислению, образованию усадочных трещин
и рыхлот, взаимодействию с влагой литейной формы, пони-
женной жидкотекучести изготовление отливок из этих сплавов
вызывает значительные технологические трудности.
Сплавы, не вошедшие в рассмотренные системы, отно-
сятся к сложнолегированным. Их применяют для отливок,
работающих при повышенных температурах и давлениях,
требующих повышенной стабильности размеров, для изго-
товления сварных конструкций и деталей, хорошо обраба-
тываемых резанием [37].
Алюминиевые сплавы склонны к газопоглощению, что
приводит к получению отливок с газовой пористостью и
раковинами. Несмотря на то что линейная усадка алюми-
29
Таблица 1.13
Химический состав и способы изготовления отливок из литейных латуней
Тип, марка Массовое содержание, % Способ литья
элементов (остальное, Zn) примесей, не более
Си А1 Fe Мп Si Sn Pb РЬ Si Sn Sb Мп Fe Al P Ni s
Свинцовая, ЛЦ40С 57,0- 61,0 — — — — — 0,8- 2,0 — 0,3 0,5 0,05 0,5 0,8 0,5 — 1,0 2,0 пкц
Свинцовая, ЛЦ40Сд 58,0- 61,0 — — — — — 0,8- 2,0 — 0,2 0,3 0,05 0,2 0,5 0,2 — 1,0 1,5 дк
Марганцевая, ЛЦ40Мц1,5 57,0- 60,0 — — 1,0- 2,0 — — — 0,7 0,1 0,5 0,1 — 1,5 — 0,3 1,0 2,0 пкц
Марганцево-железис- тая, ЛЦ40МцЗЖ 53,0- 58,0 — 0,5- 1,5 3,0- 4,0 — — — 0,5 0,2 0,5 0,1 — — 0,6 0,05 0,5 1,7 ПКД
Марганцево-алюми- ниевая, ЛЦ40МцЗА 55,0- 58,0 0,5- 1,5 — 2,5- 3,5 — — — 0,2 0,2 0,5 0,05 — 1,0 — 0,03 1,0 1,5 кц
Марганцево-свинцо- вая, ЛЦ38Мц2С2 57,0- 60,0 — — 1,5- 2,5 — — 1,5- 2,5 — 0,4 0,5 0,1 — 0,8 0,8 0,05 1,0 2,2 ПК
Алюминиевая, ЛЦЗОАЗ 66,0- 68,0 2,0- 3,0 — — — — — 0,7 0,3 0,7 0,1 0,5 0,8 — 0,05 0,3 2,6 ПК
Оловянно-свинцовая, ЛЦ25С2 70,0- 75,0 — — — — 0,5- 1,5 1,0- 3,0 — 0,5 — 0,2 0,5 0,7 0,3 — 1,0 1,5 п
Алюминиево - железо- марганцевая, ЛЦ23А63Му2 64,0- 68,0 4,0- 7,0 2,0- 4,0 1,5- 3,0 — — — 0,7 0,3 0,7 0,1 — — — — 1,0 1,8 ПКЦ
Кремнистая, ЛЦ16К4 78,0- 81,0 — — — 3,0- 4,0 — — 0,5 — 0,3 0,1 0,8 0,6 0,4 0,1 0,2 2,5 ПК
Примечание. Условные обозначения способов литья: ц — центробежное; п — в песчано-глинистые формы; к — в кокиль;
д — под давлением.
ниевых сплавов невелика и составляет 0,9-1,4 %, они склон-
ны к образованию усадочной пористости.
При производстве отливок из медных сплавов в основном
используют три группы сплавов на медной основе: латуни,
оловянные бронзы и безоловянные бронзы.
В общем количестве медных сплавов, используемых в ли-
тейном производстве, латуни составляют 40-45 %, оловян-
ные бронзы — 15-20 %.
Латуни — наиболее распространенные медные сплавы, от-
личающиеся относительно невысокой стоимостью, высоки-
ми механическими и технологическими свойствами (табл. 1.13
и 1.14). Для фасонного литья, как правило, применяют слож-
нолегированные латуни, простые двойные латуни используют
редко. Большинство латуней обладают высокими жидкотеку-
честью, обрабатываемостью и свариваемостью, что позволяет
использовать их в качестве заменителей оловянных бронз.
Оловянные бронзы (табл. 1.15 и 1.16) широко применяют
для изготовления литой арматуры, подшипников, шестерен,
Таблица 1.14
Марки, механические свойства и области применения литейных латуней
Марка Св- МПа 8, % НВ, МПа (кгс/мм2) Область применения
не менее
ЛЦ40С 215 12 687 (70) Для фасонного литья втулок, арма- туры, сепараторов шариковых и роликовых подшипников
215 20 784 (80)
ЛЦ40Сд 196 6 687 (70) Для литья под давлением деталей арматуры, работающих в воздуш- ной среде и пресной воде
264 18 981 (100)
ЛЦ40Мц1,5 372 20 981 (100) Детали простой конфигурации, ра- ботающие при ударных нагруз- ках, детали узлов трения, работа- ющие при ударных нагрузках и температуре не выше 60 °C
392 20 1079 (110)
ЛЦ40МцЗЖ 441 18 883 (90) Несложные детали ответственного назначения, арматура морского су- достроения, массивные детали, гребные винты и т. д.
490 10 981 (100)
392 10 883 (90)
ЛЦОМцЗА 441 15 1128(115) Детали несложной конструкции
ЛЦ38Мц2С2 245 15 784 (80) Конструкционные детали и аппара- тура для судов; антифрикционные детали несложной конфигурации (втулки, вкладыши, ползуны и т. д.)
343 10 834 (85)
31
Продолжение табл. 1.14
Марка МПа 8, % НВ, МПа (кгс/мм2) Область применения
не менее
ЛЦЗОАЗ 294 12 784 (80) Коррозионно-стойкие детали для судо- и машиностроения
392 15 883 (90)
ЛЦ25С2 146 8 589 (60) Штуцера гидросистем автомоби- лей
ЛЦ23А6ЖЗМц 686 7 1570(160) Ответственные детали, работающие при высоких удельных и знакопе- ременных нагрузках, при изгибе, для антифрикционных деталей
705 7 1619(165)
ЛЦ16К4 294 15 981 (100) Сложные детали приборов и арма- туры, работающие при температу- рах до 250 °C и подвергающиеся гидровоздушным испытаниям
343 15 1079 (110)
Таблица 1.15
Химический состав и способы литья оловянных бронз
Марка Массовое содержание, % Способ литья
основных элементов (остальное Си) примесей, не более
Sn Zn Pb Ni Al Fe Si P Sb все- го
БрОЗЦ2С5 2,0- 3,5 8,0- 15,0 3,0- 6,0 — 0,02 0,4 0,02 0,05 0,5 1,3 КП
БрОЗЦ7С5Н1 2,5- 4,0 6,0- 9,5 3,0- 6,0 0,5- 2,0 0,02 0,4 0,02 0,05 0,5 1,3 КП
БрО4Ц7С5 3,0- 5,0 6,0- 9,0 4,0- 7,0 — 0,05 0,4 0,05 0,1 0,5 1,3 КП
БрО4Ц4С17 3,5- 5,5 2,0- 6,0 14,0- 20,0 — 0,05 0,4 0,05 0,1 0,5 1,3 КП
БрО5Ц6С5 4,0- 6,0 4,0- 6,0 4,0- 6,0 — 0,05 0,4 0,05 0,1 0,5 1,3 КП
БрО5С25 4,0- 6,0 0,5 23,0- 26,0 — 0,02 0,2 0,02 0,05 0,5 1,2 КП
БрОбЦбСЗ 5,0- 7,0 5,0- 7,0 2,0- 4,0 — 0,05 0,4 0,02 0,05 0,5 1,3 КП
БрО8Ц4 7,0- 9,0 4,0- 6,0 0,5 — 0,02 0,3 0,02 0,05 0,3 1,0 КП
Примечание. Условные обозначения способов литья: п — в песчано-глинис-
тые формы; к — в кокиль.
32
Таблица 1.16
Марки, механические свойства и область применения оловянных бронз
Марка МПа 8, % НВ, МПа (кгс/мм2) Область применения
не менее
БрОЗЦ12С5 206,0 5 588 (60) Арматура общего назначения
176,0 8
БрОЗЦ7С5Н1 206,0 5 Детали, работающие в масле, паре и пресной воде
176,0 8
БрО4Ц7С5 176,0 4 Арматура, антифрикционные детали
147,0 6
БрО4Ц4 С17 12 5 Антифрикционные детали
БрО5Ц5С5 176,0 4 Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников
147,0 6
БрО5С25 137,2 6 Биметаллические подшипники сколь- женил
147,0 5 441 (45)
БрОбЦбСЗ 176,2 4 588 (60) Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников
147,0 6
БрО8Ц4 196,0 10 735 (75) Арматура, фасонные части трубо- провода, насосы, рабатающие в мор- ской воде
Бр010Ф1 245,0 3 882 (90) Узлы трения арматуры, высоконагру- женные детали, нажимные и шпин- дельные гайки, венцы шестерен
215,5 784 (80)
Бр010Ц2 225,5 10 735 (75) Арматура, антифрикционные детали, детали трения гребных винтов, вкла- дыши подшипников
215,5 637 (65)
BpOlOClO 196,0 6 735 (78) Подшипники скольжения, работаю- щие в условиях удельных усилий
176,2 7 637 (65)
втулок, работающих в условиях интенсивного истирания, по-
вышенного давления воды и пара. Оловянные бронзы имеют
хорошие литейные свойства, позволяющие получать слож-
ные по конфигурации отливки. Линейная усадка оловянных
бронз в зависимости от химического состава изменяется в пре-
делах 1,25-1,6 %; они обладают хорошей жидкотекучестью,
33
co
Химический состав и способы литья безоловянных бронз
Таблица 1.17
Марка Массовое содержание основных элементов (остальное Си), %
А1 Fe Мп Ni Pb p Zn Sb
БрА9Мц2Л 8,0-9,5 — 1,5-2,5 — — — — —
БрА10Мц2Л 9,6-11,0 — — — — — —
БрАЭЖЗЛ 8,0-10,5 2,0-4,0 — — — — — —
БрА10ЖЗМц2 9,0-11,0 — — 1,0-3,0 — — — —
БрА10Ж4Н4Л 9,5-11,0 3,5-5,5 — 3,5-5,5 — — — —
БрАНЖбНб 10,5-11,5 5,0-6,5 — 5,0-6,5 — — — —
БрА9Ж4Н4Мц1 18,8-10,0 4,0-5,0 0,5-1,2 4,0-5,0 — — — —
БрСЗО — — — — 27,0-31,0 — — —
БрА7Мц15ЖЗН2Ц2 6,6-7,5 2,5-3,5 14,0-15,0 1,5-2,5 — — 1,5-2,5 —
БрСуЗНЗЦЗС20Ф — — — 3,0-4,0 18,0-22,0 0,15-0,3 3,0-4,0 3,0-4,0
Марка Массовое содержание примесей, %, не более Способ ЛИТЬЯ
As Sb Sn Si Al Ni Pb P Fe Zn Mn всего
БрА9Мц2Л 0,05 0,05 0,2 0,2 — — 0,1 — 0,1 1,5 — 2,8 КП
БрА10Мц2Л — — — — — — — — — — — —
БрАЭЖЗЛ — — — — — — — — — 1,0 0,5 2,7
БрА10ЖЗМц2 0,01 — 0,1 0,1 — 0,5 0,3 0,01 — 0,5 — 1,0
БрА10Ж4Н4Л 0,05 — 0,2 0,2 — — 0,05 0,1 — 0,05 0,5 1,5
БрАНЖбНб — — — — — — — 0,1 — 0,6 — —
БрА9Ж4Н4Мц1 — — — — — — — 0,03 — 1,0 — 1,2
13
a
но широким интервалом кристаллизации,
вследствие чего склонны к образованию рас-
сеянной усадочной пористости.
Безоловянные бронзы по некоторым свой-
ствам превосходят оловянные и с успехом
могут быть использованы как заменители пос-
ледних. Они обладают более высокими меха-
ническими, коррозионными и антифрикци-
онными свойствами. Однако литейные свой-
ства их хуже: ниже жидкотекучесть, выше
склонность к окислению, значительна линей-
ная усадка — 2-3 %. Наиболее широко
применяют алюминиевые, марганцевые и
кремнистые бронзы. Химический состав, ме-
ханические свойства, способы получения от-
ливок и область применения безоловянных
бронз даны соответственно в табл. 1.17 и 1.18,
а в табл. 1.19 — изменение оптовых цен на
отливки из некоторых алюминиевых и мед-
ных сплавов.
Производство отливок из титановых спла-
вов (табл. 1.20) является одной из перспек-
тивных областей литья, так как сплавы на
основе титана отличаются малой плотностью,
высокими удельной прочностью, физико-ме-
ханическими свойствами и сопротивлением
коррозии. Титановые сплавы обладают вы-
сокой жидкотекучестью, низкой склонностью
к образованию горячих трещин и локализо-
ванных усадочных раковин.
Однако изготовление отливок из титано-
вых сплавов вызывает большие технологи-
ческие трудности, обусловленные активным
взаимодействием жидкого расплава со все-
ми используемыми в настоящее время для
изготовления литейных форм материалами.
Песчано-глинистые формы для получения
фасонных отливок из титана и его сплавов
непригодны, так как титан очень активно
взаимодействует с материалом формы, лег-
ко окисляется. Удовлетворительным мате-
риалом для литейных форм является гра-
фит, но следует учитывать, что стоимость
его высока.
35
Таблица 1.18
Марки, механические свойства и область применения безоловянных бронз
Марка МПа 5, % НВ, МПа (кг/мм2) Область применения
Не менее
БрА9Мц2Л 392 20 784(80) Антифрикционные детали, детали арматуры, работаю- щие в пресной воде и в паре при температуре до 250 °C
БрА10Мц2Л 490 12 1078(110) Арматура, антифрикцион- ные детали
БрАЭЖЗЛ 392 10 980 (100)
БрА10ЖЗМц2 490 12 1176(1120)
БрА10Ж4Н4Л 587 5 1568(160) Детали химической и пище- вой промышленности; дета- ли, работающие при повы- шенных температурах
БрАНЖбНб 587 2 2450 (250) Арматура, антифрикцион- ные детали
БрА9Ж4Н4Мц 587 12 1568 (160) Арматура для морской воды
БрСЗО 587 4 245 (25)
БрА7Мц15ЖЗН2Ц2 157 2 637 (65) Антифрикционные детали
БрСуЗНЗЦЗС2ОФ
Таблица 1.19
Изменение оптовых цен за тонну отливок
из алюминиевых и медных сплавов
Марка Масса отливки, кг Группа сложности
1 2 3 4 5
Алюминиевые сплавы
0,40-63 1,0 1,11 1,22 1,35 1,50
АЛ2, АЛ4.АЛ9 2,50-4,00 1,0 1,12 1,26 1,41 1,57
10,0-16,0 1,0 1,13 1,27 1,44 1,61
25,0-40,0 1,0 1,13 1,28 1,45 1,63
250-400 1,0 1,12 1,28 1,46 1,66
АЛ9, АЛ13 0,40-0,63 1,0 1,11 1,21 1,33 1,46
2,50-4,00 1,0 1,12 1,24 1,38 1,52
10,0-16,0 1,0 1,12 1,25 1,41 1,55
25,0-40,0 1,0 1,12 1,26 1,42 1,57
250-400 1,0 1,06 1,20 1,36 1,51
36
Продолжение табл. 1.19
Марка Масса Группа сложности
ОТЛИВКИ, кг 1 2 3 4 5
0,40-0,63 1.0 1,11 1,21 1,34 1,46
2,50-4,00 1,0 1,12 1,26 1,38 1,53
АЛЗ, АЛ15, АЛ6 10,0-16,0 1,0 1,12 1,27 1,42 1,56
25,0-40,0 1,0 1,12 1,26 1,42 1,58
250-400 1,0 1,12 1,26 1,43 1,60
Meдно-цин ков ы е с п лавы (лату н и)
0,40-0,63 1,0 1,05 1,11 1,15 1,17
ЛЦ16К4, 2,50-4,00 1,0 1,03 1,07 1,10 1,12
ЛЦ23А6ЖЗМц2, ЛЦЗОАЗ, ЛЦ40Мц1 и др. 10,0-16,0 1,0 1,04 1,06 1,08 1,11
25,0-40,0 1,0 1,08 1,08 1,08 1,16
250-400 1,0 1,03 1,06 1,08 1,11
Безоловянные л и т е иные б р о н 3 ы
БрА9Мц2Л, БрА10Мц2Л, 0,40-0,63 1,0 1,03 1,06 1,09 1,11
2,50-4,00 1,0 1,03 1,06 1,09 1,12
БрАЭЖЗЛ, БрА10ЖЗМц2, БрА10Ж4Н4Л, 10,0-16,0 1,0 1,03 1,06 1,10 1,12
25,0-40,0 1,0 1,03 1,06 1,09 1,12
БрАНЖбНб 250-400 1,0 1,03 1,05 1,08 1,12
О л о в я н ные бронз ы
0,40-0,63 1,0 1,03 1,06 1,09 1,12
БрОЮСЮ, БрО10Ф1, 2,50-4,00 1,0 1,03 1,06 1,09 1,12
10,0-16,0 1,0 1,03 1,06 1,09 1,12
БрОЦЮ-2 25,0-40,0 1,0 1,03 1,06 1,09 1,12
250-400 1,0 1,03 1,06 1,09 1,13
Более дешевыми являются оболочковые формы, изготов-
ленные из смеси высокоогнеупорных нейтральных окислов
с применением в качестве связующего фенолформальдегид-
ной смолы. Недостаток этих форм — загрязнение поверхно-
сти отливок продуктами взаимодействия титана с материа-
лом формы. Например, в отливке толщиной до 50 мм глу-
бина загрязненного слоя составляет примерно 1,5 мм. Мел-
кие тонкостенные сложные отливки из титановых сплавов
можно получать в формах, изготовленных по выплавляе-
мым моделям.
37
Таблица 1.20
Химический состав основных литейных титановых сплавов
Сплав Марка Массовое содержание элементов (остальное титан), %
А1 V Мо Мп Сг Si других
а ВТ5 4,30-6,2
ВТ5-1 4,5-6,0 2-3 Sn
Псев- доа ОТ4-0 0,2-1,4 0,2-1,3
ОТ4-1 1,0-2,5 0,7-2,0
ОТ4 3,5-5,0 0,8-2,0 1,5-2,5 Zr
ВТ20 6,0-7,5 0,8-1,0 0,5-2,0 0, IS- О. 5 0,5-1,5 Nb
ВТ18 7,2-8,2 0,2-1,0 10-12 Zr
а + Р ВТ6С 5,0-6,5 3,5-4,5
ВТ6 5,5-7,0 4,2-6,0
ВТ8 6,0-7,3 2,8-3,8 0,2-0,4
ВТ9 5,8-7,0 2,8-8,8 0,2- 0,36 0,8-2,5 Zr
ВТЗ-1 5,5-7,0 2,0-3,0 1,0-2,5 0, IS- О.40 0,2-0,7 Zr
ВТ14 4,5-6,3 0,9-1,9 2,5-3,8
ВТ16 1,6-3,0 4,0-5,0 4,5-5,5
ВТ22 4,0-5,7 4,0-5,5 4,5-5,0 0,5-2,0 0,5- 0,15 Fe
₽ ВТ15 2,3-3,6 6,8-8,0 9,5- 11,0 1,0 Zr
Следует отметить, что технологические свойства сплавов
необходимо в первую очередь учитывать при выборе спосо-
ба литья. Чем ниже эти свойства у сплава, тем более огра-
ничен выбор его для получения отливок, тем сложнее ли-
тейная технология, тем больше вероятность снижения ка-
чества отливок, тем выше себестоимость детали. На каче-
ство отливок значительное влияние оказывают материал
формы и способ ее заполнения, поэтому далее будут рас-
смотрены принципиальные положения о формировании от-
ливок в процессе литья.
38
1.2. Материалы, применяемые
при обработке давлением
Для получения заготовок обработкой давлением исполь-
зуют различные деформируемые материалы: углеродистые,
легированные и высоколегированные стали, жаропрочные
сплавы, сплавы на основе алюминия, меди, магния, тита-
на, никеля и др. Химический состав основных деформиру-
емых металлов и сплавов указан в следующих ГОСТах:
ГОСТ 4784-74* «Алюминий и сплавы алюминиевые де-
формируемые. Марки»;
ГОСТ 14957-76* «Сплавы магниевые деформируемые.
Марки»;
ГОСТ 18175-78* «Бронзы безоловянные, обрабатываемые
давлением. Марки»;
ГОСТ 5017-74* «Бронзы оловянные, обрабатываемые дав-
лением. Марки»;
ГОСТ 15527-70* «Сплавы медно-цинковые (латуни), об-
рабатываемые давлением. Марки»;
ГОСТ 19807-74* «Титан и титановые сплавы, обрабаты-
ваемые давлением. Марки»;
ГОСТ 492-73* «Никель, сплавы никелевые и медно-ни-
келевые, обрабатываемые давлением. Марки»;
ГОСТ 5632-72* «Стали высоколегированные и сплавы
коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные. Марки
и технические требования»;
ГОСТ 380-71* «Сталь углеродистая общего назначения.
Марки и технические требования»;
ГОСТ 1050-74** «Сталь углеродистая качественная, кон-
струкционная. Технические условия»;
ГОСТ 4543-71* «Сталь легированная, конструкционная.
Технические условия».
В табл. 1.21-1.24 приведены области применения, хими-
ческий состав и механические свойства некоторых сталей и
цветных деформируемых сплавов.
При выборе технологического процесса обработки метал-
лов давлением следует учитывать технологические свойства
сплавов. Чем ниже пластичность материала, тем сложнее
получить качественную заготовку, тем сложнее технологи-
ческий процесс и выше себестоимость детали. Так, при из-
готовлении поковок из тугоплавких сплавов необходимо
перед ковкой или штамповкой применять подпрессовку для
разрушения литой структуры, повышения пластичности и
облегчения деформирования, а это значительно повышает
39
Таблица 1.21
Области применения деформируемых материалов
Марка Область применения
У глеродистые качественные, конструкционные стали
15 Цементуемые и планируемые детали: болты, гайки, вин- ты, вилки, рычаги
20 Тяги, серьги, траверсы, крюки, рычаги, втулки и вкла- дыши
25 Детали повышенной вязкости: оси, валы, цилиндры, тяги, станины станков, маховики
35 Валы, оси, цилиндры прессов, шпиндели, валы турбин и редукторов, роторы, крепежные детали, маховики, станины станков и станов
45 Прокатные валки, шестерни, зубчатые колеса, плунже- ры насосов, муфты, втулки, валики, крепежные детали
60 Прокатные валки, червяки, распределительные валы, поршневые кольца, толкатели
Л е г и р ованные конструкционные стали
38ХМ, 40Х, 45Х, ЗОХРА Коленчатые валы, оси, шестерни, пальцы, рычаги, кри- вошипы, ключи гаечные, ведущие валики, всасываю- щие клапаны
18ХГ, 20ХГР Цементуемые детали небольших сечений, подвергае- мые действию значительных давлений и работающие на истирание
ЗОХМ, ЗОХМА, 35ХМ, 38ХВ Валы, роторы, диски и другие детали турбин; ведущие и коленчатые валы, цапфы, шестерни и другие детали, рабо- тающие при повышенных температурах (до 450-480 °C)
40МФА Коленчатые валы, нецементуемые шестерни, азотируе- мые валки, пальцы, шпильки, шатуны
20ХН Шестерни для дизелей, шлицевые валики, шпонки, поршневые пальцы
40ХН, 45ХН, 50ХН, 40ХТР Крупные ответственные детали: коленчатые валы, ша- туны, шестерни, роторы
12ХНЗА Детали повышенных прочности и вязкости; шестерни, оси, ролики, шпильки, толкатели и т. п.
ЗОХГС, ЗОХГСА Нагруженные детали относительно небольших сечений (вместо хромоникелевых и хромомолибденовых сталей)
30ХН2ВА, 38Х2Н2ВА Ответственные детали: валы, шатуны, болты, шпильки
40
Продолжение табл. 1.21
Марка Область применения
40ХНМА, 40ХН2МА, 40Х1НВА Коленчатые валы, клапаны, шатуны, шестерни
30ХН2ВФА, 30ХН2МФА, 20ХН4ФА Валы цельнокованых роторов, диски, детали редукто- ров, шпильки и другие ответственные детали турбин и компрессионных машин, работающие при повышенных температурах (до 400 °C)
38ХНЗМФА Наиболее ответственные детали турбин и компрессор- ных машин особой прочности в крупных сечениях: ва- лы, цельнокованые роторы, диски турбин, покрышки турбовоздушных машин
38Х2МЮА Азотируемые детали двигателей: штоки клапанов, гиль- зы цилиндров, втулки, клапаны
Высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные сплавы
13Х11Н2В2МФ Диски компрессоров, лопатки и другие нагруженные детали
20X13 Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам; предметы домашнего обихода; из- делия, подвергающиеся воздействию слабоагрессивных сред
30X13; 40X13, 14Х17Н2, 20X17Н2 Режущий, мерительный, хирургический инструмент, пружины; предметы домашнего обихода; детали химичес- кой и авиационной промышленности. Рекомендуются как высокопрочная сталь для тяжело нагруженных деталей, работающих на истирание и удар в агрессивных средах
12X17 Оборудование азотнокислых заводов; предметы домаш- него обихода; оборудование заводов пищевой промыш- ленности. Не рекомендуется для сварных конструкций
15X11МФ, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10, 20Х23Н18 Рабочие и направляющие лопатки паровых турбин; свар- ная аппаратура для разных отраслей промышленности; детали установок в химической промышленности; газо- проводы; камеры сгорания
Алюминиевые сплавы
АМц Листы, плиты, трубы, профили, заклепки, проволока
АК4-1, АК6, АК8 Ковочные сплавы для прутков, поковок, штамповок и листов
В95 Высокопрочные сплавы для поковок, профилей, листов
41
Продолжение табл. 1.21
Марка Область применения
Магниевые сплавы
МА2, МА5, МАИ Прутки, полосы, поковки, штамповки; прутки и поков- ки для изделий, работающих при температуре 350-400 °C
Медные сплавы
ЛС59-1, ЛК80-3 Трубы, штамповки
БрАЖН10-4-4, БрМц5, БрОфб, 5-0,4 ВТЗ-1.ВТ6С; ВТ 14 ХН77ТЮР Трубы, прутки, поковки ответственного назначения: листы, поковки; ленты, полосы, прутки, проволока, под- шипники — различные детали машиностроительной про- мышленности Титановые сплавы Поковки, штамповки, листы, трубы Жаропрочные сплавы Для деталей турбин и реактивных двигателей, работаю- щих при высоких температурах
Монель-металл Для деталей и оборудования нефтеперерабатывающей, фармацевтической промышленности; для деталей, рабо- тающих в морской воде и концентрированных щелочах; для деталей, работающих в соляной кислоте до темпера- туры кипения, а также в фосфорной, серной и других кислотах
себестоимость и трудоемкость изготовления поковок. Осо-
бенно жесткие требования по технологической пластичнос-
ти предъявляются к тем сплавам, которые используются
для деформирования в холодном состоянии.
Для изготовления деталей листовой штамповкой приме-
няют разнообразные металлические и неметаллические ма-
териалы. Металл для листовой штамповки выпускают в виде
лент, полос и листов, сортамент которых указан в соот-
ветствующих стандартах, например в ГОСТ 82-70 «Сталь
прокатная широкополосная универсальная. Сортамент»,
ГОСТ 19904-74 «Сталь листовая холоднокатаная. Сортамент».
При выборе материала для листовой штамповки необхо-
димо учитывать эксплуатационные свойства получаемых
деталей и способность материала к обработке давлением.
42
Таблица 1.22
Химический состав и механические свойства
алюминиевых деформируемых сплавов
Марка Массовое содержание, % Механические свойства после термообработки
элементов (остальное А1) примесей, не более
Си Mg Мп других Fe Si Св ст0,2 8, % НВ, МПа (кгс/мм2)
МПа
Не менее
АМц — — 1- 1,6 — 0,7 0,6 167 — 20 —
Д18 2,2- 3,0 0,2- 0,5 — — 0,5 0,5 294 167 24 687 (70)
Д1 3,8- 4,8 0,4- 0,8 0,4- 0,8 — 0,7 0,7 412 235 15 931 (95)
Д16 3,8- 4,9 1,2- 1,8 0,3- 0,9 — 0,5 0,5 460 313 17 1030 (Ю5)
В95 1,4- 2,0 1,8- 2,8 0,2- 0,6 0,1-0,25 Сг; 5-7 Zn — — 510 431 6 —
А4-1 1,9- 2,7 1,2- 1,8 — 0,8-1,4 Ni; 0,8-1,4 Fe; 0,02-0,1 Ti — 0,35 392 — 5 1146 (117)
А6 1,8- 2,6 0,4- 0,8 0,4- 0,8 0,7-1,2 Si 0,7 — 383 274 10 —
Таблица 1.23
Химический состав и механические свойства
магниевых деформируемых сплавов
Марка Массовое содержание элементов, % (остальное магний) CB. МПа °0,2, МПа 8, %
Мп Zn Al других
МА1 1,3-2,5 — 34 — 235 138 4
МА2 0,15-0,5 0,2-0,8 7,8-9,2 — 265 167 10
МА6 0,15-0,5 0,2-0,8 — — 313 216 14
МАИ 1,5-2,5 — — 2,54 Nb; 0,1-0,25 Ni 274 138 10
МА13 0,4-0,8 — — 1,7-2,5 Ti 216 157 4
ВМ65 — 5-6 — 0,3-0,9 Zr 343 294 9
ВМД1 1,2-2 — — 2,5-3,5 Th 294 245 5
43
Таблица 1.24
Химический состав и механические свойства медных деформируемых сплавов
НВ, МПа (кгс/мм2) 589 (60) 883 (90) 981 (100) 687 (70) 784 (80) 637 (65) 589 (60) 589 (60)
1 8, % ю Ю 00 со ю 65 60-70 СМ о 1 40 ।
CSJ © е> МПа 00 со со со о Н гН гН ю ю Tt* СМ СМ 65 128
а Ь см см ООО СО СО СМ см см о о со со СО со со со 343
Массовое содержание элементов, % других 5-6,5 Ni 0,8-1,9РЬ | 2,54 Si 2 см о 1 г-Н о 1 1,5-3,5 РЬ
CL, 1 0,1-0,25 0,26-0,4 0,25-0,3 1
& 1 6-7 3,3-4 3-5
Zn Остальное 1 1 1 2,7-3,3 j 3-5
Си 0- О гн со со 00 1 1 1 о союь- Остальное
Марка ЛН65-5 ЛС59-1 ЛК-80-3 БрОФб, 5-0,15 БрОФб, 5-0,4 БрОФ4-2,5 БрОЦ4-3 БрОЦс4-4-2,5
Из углеродистой стали
обыкновенного качества штам-
пуют детали, несущие малые
нагрузки, бытовые изделия.
Из качественной углеродис-
той стали штампуют детали
с повышенными требования-
ми к прочности и качеству
поверхности. Во многих от-
раслях машиностроительной
промышленности широкое
применение находит каче-
ственная конструкционная
сталь марок 05кп, 08кп, 10кп,
15кп и др. Эта сталь отлича-
ется высокими пластически-
ми свойствами и хорошей
свариваемостью.
Горячекатаную листовую
сталь общего назначения, по-
ставляемую со слоем окали-
ны, штампуют относительно
редко, так как окалина, по-
крывающая листы, является
причиной быстрого изнаши-
вания пуансонов и матриц.
Используется эта сталь при
изготовлении грубых строи-
тельных конструкций, то-
варных вагонов, некоторых
сельскохозяйственных ма-
шин и т. д.
Декапированная тонко-
листовая сталь толщиной
0,25-3,0 мм имеет хорошую
штампуемость. Из нее изго-
товляют посуду, бытовые из-
делия, а также детали, не
несущие значительных на-
грузок и не предназначенные
для полирования, хромиро-
вания, никелирования.
По точности толщины лис-
та сталь подразделяется на
44
три группы: А — высокая точность; Б — повышенная точ-
ность; В — обычная точность.
По способности к вытяжке в холодном состоянии разли-
чают листы трех групп вытяжки: ВГ — для весьма глубо-
кой; Г — для глубокой; Н — для нормальной.
Низкоуглеродистая холоднокатаная стальная лента мо-
жет быть особо мягкой (ОМ), мягкой (М), полумягкой (ПМ),
пониженной твердости (ПТ) и твердой (Т); по точности из-
готовления — нормальной точности (Н); повышенной точ-
ности по ширине и толщине (ВШ).
Черную отожженную полированную жесть изготовляют
толщиной 0,18-0,55 мм, а белую жесть — 0,21-0,55 мм. Из
черной жести штампуют тонкостенные детали бытовых из-
делий, подвергающиеся затем окраске. Из белой жести из-
готовляют консервные банки, тару для упаковки пищевых
продуктов, некоторые тонкостенные детали, поверхности
которых должны быть защищены от коррозии.
Оцинкованную сталь, выпускаемую толщиной 0,88-1,5 мм,
применяют для штамповки изделий различного назначения.
Ответственные детали штампуют из легированных конст-
рукционных сталей, таких как 10Г2А, 12Г2А, 20ХГСА,
25ХГСА и др. Эти стали обладают хорошей способностью
к штамповке в отожженном состоянии и хорошо свариваются.
Детали с повышенной коррозионной стойкостью штам-
пуют из коррозионно-стойких сталей (например, марок
12Х18Н9, 10X13).
Помимо указанных, в листовой штамповке используют-
ся стали специального назначения, например электротех-
нические, пружинные.
По качеству материала листовая и полосовая сталь раз-
деляется на сорта, изготовляемые из сталей различных ма-
рок: листовая углеродистая сталь — из марок стали обык-
новенного качества по ГОСТ 380-71*; листовая углеродис-
тая качественная сталь — из марок качественной стали
по ГОСТ 1050-74**; листовая низколегированная сталь —
из марок стали по ГОСТ 19282-73; листовая легированная
конструкционная сталь — из марок легированной стали
по ГОСТ 1542-71*; листовые высоколегированные стали и
сплавы (коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропроч-
ные) — по ГОСТ 5632-72*.
В автомобильной, химической и пищевой промышленнос-
ти вместо коррозионно-стойких и жаростойких сталей ис-
пользуют холоднокатаную стальную полосу (08кп), диффу-
зионно-хромированную в вакууме. Сталь обладает хороши-
45
ми пластическими свойствами и повышенной стойкостью во
многих реактивных средах при повышенной температуре.
Стальные полосы с полимерным покрытием (металло-
пласт) применяют в химической, автомобильной, пищевой,
радиотехнической, авиационной промышленности. Метал-
лопласт обладает стойкостью против коррозии, износоус-
тойчивостью, хорошими электроизоляционными и звуко-
изоляционными свойствами.
Из цветных металлов, применяемых для листовой штам-
повки, наибольшее распространение получили алюминий,
медь, никель, магний, титан и их сплавы.
Алюминий и его сплавы находят широкое применение
в самолетостроении, автомобильной промышленности, при
изготовлении различных деталей приборов, бытовых изде-
лий и т. д. Наиболее распространены марки алюминия А1,
..., АЗ, АД, АД1 и дюралюмина: Д1, Д6, Д16.
Из медных листов и лент марок Ml, ..., М3 штампуют
в основном детали электротехнической аппаратуры. Лату-
ни находят применение при штамповке деталей часов, ра-
диодеталей, посуды и т. д. Штампуют главным образом ла-
туни марок Л62, Л68, Л70. Из других сплавов меди для
штамповки применяют бронзы.
Никель марок Н1, ..., НЗ и его сплавы — мельхиор и
нейзильбер — используют для изготовления химической по-
суды, приборов, деталей часов, ювелирных изделий.
Сплавы магния МА1 и МА8 с повышенной коррозионной
стойкостью широко применяют для штамповки самых раз-
нообразных изделий: деталей мотоциклов, велосипедов,
прицепов и других средств передвижения, электротехни-
ческого и электронного оборудования и т. д. Титан все шире
используют в штамповочном производстве для изготовле-
ния ответственных деталей в авиационной промышленнос-
ти и в ряде других отраслей (главным образом сплавы тита-
на марок ВТ-1, ВТ1-00, ВТ5, ВТ6, ОТ4).
Из неметаллических материалов штамповкой получают
прокладочные детали, изоляционные и декоративные. Наи-
большее применение находят следующие неметаллические
материалы: пластмассы (гетинакс, текстолит, органическое
стекло, винипласт, целлулоид и др.), резина, материалы на
основе бумаги (картон, фибра), материалы минерального про-
исхождения (слюда, миканиты). Из других неметаллических
материалов штампуют также фетр, кожу, войлок, прессшпан.
Основным требованием к материалам, применяемым при
изготовлении деталей листовой штамповкой, является их
пригодность к штамповке и последующей эксплуатации.
46
Выявление этой пригодности материала к той или иной
штамповочной операции весьма сложно и требует проведе-
ния ряда испытаний.
1.3. Материалы в сварочном производстве
Одним из основных факторов, определяющих целесооб-
разность и возможность использования сварки для получе-
ния комбинированных заготовок, является материал сва-
риваемых элементов. Прежде всего, он должен обладать
высокой свариваемостью, т. е. образовывать надежно рабо-
тающие при заданных режимах эксплуатации сварные со-
единения, легко свариваться без дополнительного подогре-
ва, без использования дополнительной оснастки.
Наиболее распространенным материалом комбинирован-
ных сварных заготовок является сталь, однако с развитием
специальных отраслей промышленности все шире использу-
ются сплавы на основе алюминия, магния, титана; находят
применение и другие конструкционные материалы, в част-
ности пластмассы. Химический состав стали оказывает су-
щественное влияние на свариваемость, так, хром, молибден,
вольфрам, повышенное содержание кремния и марганца по-
нижают свариваемость стали.
Особенно сильно влияет на свариваемость стали углерод:
при содержании углерода до 0,25 % сталь сваривается лег-
ко без применения подогрева и специальной оснастки, даль-
нейшее увеличение содержания углерода резко снижает сва-
риваемость стали, так как служит причиной закалки в пе-
реходных зонах и способствует возникновению трещин.
В связи с этим наибольшее применение при изготовлении
сварных деталей имеют малоуглеродистые и низколегиро-
ванные (с суммарным содержанием легирующих элементов
до 2 %) стали.
Для улучшения свариваемости углеродистых и низколеги-
рованных сталей необходимо также ограничивать содержа-
ние вредных примесей — серы и фосфора. В табл. 1.25 приве-
ден химический состав наиболее часто применяемых в свар-
ных деталях малоуглеродистой и низколегированной сталей,
там же указаны и некоторые области их применения.
Кроме перечисленных марок в комбинированных свар-
но-литых деталях применяются различные углеродистые и
легированные стали, обладающие необходимыми для свар-
ки технологическими свойствами — пластичностью и не-
значительной склонностью к прокаливаемости.
47
00
Таблица 1.25
Химический состав и области применения малоуглеродистой и низколегированной деформируемых сталей
Марка Массовое содержание элементов, % Область применения
С Si Мп Сг Ni Си S, не более
Ст2 0,19-0,15 0,12-0,30 0,25-0,50 — — — 0,05 Сварные конструкции самого обще- го назначения
СтЗ 0,14-0,22 0,40-0,65 — — —
Ст4 0,18-0,27 — — —
М16С 0,12-0,20 0,12-0,25 0,40-0,70 — — — 0,05 Ответственные конструкции, вос- принимающие динамические на- грузки
15К 0,16-0,24 0,15-0,30 0,35-0,65 — — — 0,04 Детали паровых котлов, барабанов, днищ, оболочек и других сосудов, работающих при давлении до 6 МПа и при температуре до 450 °C
20К — — —
10ХСНД До 0,12 0,80-1,10 0,05-0,80 0,60-0,90 0,50-0,80 0,45-0,60 — Наиболее ответственные сварные конструкции
15ХСНД 0,12-0,18 0,40-0,70 0,40-0,70 — 0,30-0,60 0,20-0,40 —
09Г2С До 0,12 0,50-0,80 0,30-1,70 — — — — Сварные листовые конструкции
12ГС 0,09-0,15 0,05-0,80 0,80-1,20 — — — —
182ГС 0,14-0,23 0,60-0,90 1,20-1,60 До 0,30 До 0,30 До 0,30 — Арматурные стержни
25Г2С 0,20-0,29 — — — — — —
В табл. 1.26 приведены наиболее часто используемые мар-
ки сталей для сварно-литых деталей, а также области их при-
менения. Учитывая особенности сварки, необходимо выбирать
марки легких сплавов, физико-механические свойства кото-
рых обеспечивали бы высокую прочность сварных соедине-
ний, применение сравнительно простых технологических прие-
мов сварки, без предварительного подогрева и последующей
термической обработки. Материал должен быть малочув-
Таблица 1.26
Марки сталей и области их применения для сварно-литых деталей
Марка Область применения Температура и стойкость при эксплуатации, °C
20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, (массовое содержание се- ры и фосфора до 0,05 %) Сварно-литые детали энергомашино- строения (цилиндры, клапаны, арма- тура трубопроводов, детали турбома- шин и паровых турбин, конструкции с большим объемом сварочных работ) 450
20ГСЛ, 25ГСЛ Сварно-литые детали общего и энерго- машиностроения (литые детали ма- шин повышенной прочности, лопасти и валы гидротурбин) 100
20ХМЛ Сварно-литые детали паровых и газо- вых турбин (цилиндры, арматура и ДР-) 500
20ХМФЛ 510-540
15Х1М1ФЛ Сварно-литые детали энергомашино- строения (цилиндры, паровые и соп- ловые коробки и др.) 565-580
20Х13НЛ, 10Х12НДЛ Сварно-литые детали гидротурбин, ра- ботающие в условиях кавитации, ло- пасти рабочих колес гидротурбин Стойкость к ка- витационному изнашиванию
10Х18НЗГЗД2Л Сварно-литые детали энергомашино- строения, работающие при обычных температурах и в условиях кавитаци- онного и эрозионного изнашивания (рабочие колеса и другие детали круп- ных гидротурбин) Стойкость к ка- витационному и эрозионному изнашиванию
1Х18НГЗД2Л Сварно-литые детали гидротурбин, предназначенные для эксплуатации в условиях абразивного изнашивания Стойкость к аб- разивному из- нашиванию
1Х20Н12ТЛ Сварно-литые детали энергетических и других установок (детали арматуры и турбин) 600
49
ствительным к термическим воздействиям, обладать высоки-
ми прочностными и пластическими характеристиками.
Одними из перспективных конструкционных материалов
являются пластмассы. Применяемые в настоящее время
способы сварки пластмасс могут обеспечивать высокую проч-
ность сварных соединений при статической нагрузке, кото-
рая для стыковых соединений достигает 50-60 % по отно-
шению к основному металлу, а для соединений внахлестку
может достигнуть 100 %.
Для листосварных деталей применяют следующие виды
листового и профильного проката:
листовой прокат:
ГОСТ 82-70* «Сталь прокатная широкополосная универ-
сальная»;
ГОСТ 103-76* «Полосастальная горячекатаная. Сортамент»;
ГОСТ 14637-89 «Прокат толстолистовой и широкополос-
ный универсальный из углеродистой стали общего назначе-
ния. Технические условия»;
ГОСТ 19904-90* «Сталь листовая холоднокатаная. Сор-
тамент»;
ГОСТ 19903-74* «Сталь листовая горячекатаная. Сортамент»;
ГОСТ 21631-76 «Листы из алюминия и алюминиевых
сплавов. Технические условия»;
профильный прокат:
ГОСТ 8509-93* «Сталь прокатная угловая равнополоч-
ная. Сортамент»;
ГОСТ 8510-86 «Сталь прокатная угловая неравнополоч-
ная. Сортамент»;
ГОСТ 8239-89* «Сталь горячекатаная. Балки двутавро-
вые. Сортамент»;
ГОСТ 8240-97* «Сталь горячекатаная. Швеллеры. Сор-
тамент»;
трубы стальные:
ГОСТ 8732-78* «Трубы стальные бесшовные горячеде-
формированные. Сортамент»;
ГОСТ 10704-76* «Трубы стальные электросварные и пря-
мошовные . Сортамент »;
ГОСТ 8734-75* «Трубы стальные бесшовные холодноде-
формированные. Сортамент»;
трубы прессованные:
ГОСТ 18482-79* «Трубы прессованные из алюминия и
алюминиевых сплавов. Технические условия»;
гнутые профили стальные:
ГОСТ 11474-76* «Профили стальные гнутые. Техниче-
ские условия».
50
От правильного выбора марки материала и типа профи-
ля зависит возможность получения наибольшей экономии
металла и снижения стоимости изготовления сварных де-
талей.
При выборе различных профилей проката следует учи-
тывать, что для элементов, работающих на сжатие и изгиб,
целесообразно применять профили с более тонкой стенкой.
Профили с толстыми стенками в основном применяют для
элементов, работающих на растяжение, трубчатые сечения
целесообразно использовать при работе элементов на круче-
ние и продольный изгиб. Использование листового и про-
фильного проката для заготовок в сварных изделиях целесо-
образно и экономически оправдано при единичном и мелко-
серийном производствах, так как это процесс многоопераци-
онный (резка заготовок — механическая обработка — сварка).
1.4. Материалы специального машиностроения
В процессе разработки материалов для реакторов деле-
ния, работающих на тепловых нейтронах при умеренных
температурах, и оценки их работоспособности учитывался
опыт создания корпусных сталей. Основное внимание при
этом уделялось вопросам вязкости и пластичности сталей и
температурным условиям их вязко-хрупкого перехода.
При рекомендации материалов для реакторов, работаю-
щих на быстрых нейтронах при высоких температурах, ис-
ходят преимущественно из опыта создания сталей и сплавов
для авиационных двигателей и энергетических установок теп-
ловых электростанций. Такой подход в основном оказался
правильным, хотя имелись и просчеты. В меньшей мере они
обнаружились в тепловых реакторах. Так, недостаточное по-
нимание явления радиационного охрупчивания перлитных
сталей в настоящее время в мировой практике компенсиру-
ется эксплуатацией реакторов не в оптимальном режиме, при-
нятием мер по снижению нейтронного потока на стенки кор-
пуса, что приводит к нерациональному использованию объ-
ема активной зоны, а также к применению дорогостоящих
систем инспекции состояния корпуса реактора.
Интенсивность потока быстрых нейтронов в реакторах-
размножителях может достигать 1 1016 нейтр/(см2 • с), что
примерно на три порядка выше, чем в тепловых реакторах.
Высокие значения нейтронных потоков и флюенса в быст-
рых реакторах создают для реакторного материаловедения
51
новые, чрезвычайно сложные проблемы — высокотемпера-
турное охрупчивание, радиационное распухание, радиаци-
онную ползучесть и др.
Несмотря на то что при разработке термоядерных реак-
торов может быть широко использован опыт работы с ядер-
ными реакторами, проблема выбора материалов стоит еще
более остро. Это обусловлено, прежде всего, особенностями
передачи энергии ядерных реакций. Известно, что около
88 % всей энергии деления выделяется в топливе в виде
кинетической энергии осколков деления (А и В) и энергии
P-излучения и только примерно 12 % выносится у-излуче-
нием (9,4 %) и нейтронами (2,5 %) за пределы топлива. Эта
энергия поглощается конструкционными материалами.
Отмеченные особенности позволяют конструктору реак-
тора деления ориентироваться в подборе материалов соот-
ветственно их назначению. В реакциях же термоядерного
синтеза около 80 % энергии уносится высокоэнергетиче-
скими (14,1 МэВ) нейтронами. Поэтому объемные повреж-
дения материалов при том же интегральном потоке нейтро-
нов будут более значительными. Кроме того, под действием
нейтронов с энергией 14,1 МэВ в материалах будут возни-
кать «энергичные» первично выбитые атомы, а следователь-
но, будут появляться большие количества смещенных ато-
мов и возникать большие повреждения, чем в реакторах на
быстрых нейтронах. Образующиеся при этих реакциях ге-
лий и водород будут усугублять вредное влияние нейтрон-
ного облучения на материалы.
Значительная часть энергии реакции синтеза (20 %) вы-
деляется а-частицами (энергия частиц 3,5 МэВ), ионами изо-
топов водорода, атомами и молекулами этих газов, а также
электромагнитным излучением различной энергии в обра-
щенных к плазме поверхностных слоях первой стенки реак-
тора. Это приводит к интенсивной эрозии поверхности, на-
зываемой «шелушением» и обусловленной образованием и
разрушением приповерхностных газовых пузырей, а также
катодным распылением, протеканием химических реакций
и т. п. Корпускулярные потоки дейтерия (D) и трития (Т),
имеющие энергию 10 кэВ, не могут приводить к объемным
изменениям в материале, поскольку их пробеги составляют
100 нм. Но эти частицы вносят существенный вклад в разви-
тие поверхностных и тепловых явлений в материале.
В целом реакторы синтеза характеризуются более широ-
кой гаммой используемых конструкционных материалов,
чем реакторы деления. Не исключается, что выбор матери-
52
алов для основных узлов термоядерных реакторов будет
основываться на компромиссных решениях, поскольку не-
обходимо учесть большое число механических, физических,
ядерных и других требований.
Из изложенного следует, что конструкционные материа-
лы основных узлов реакторов на быстрых нейтронах и тер-
моядерных реакторов работают в весьма сложных услови-
ях. Изменение физико-механических и других свойств кон-
струкционных материалов в процессе облучения в значи-
тельной мере определяется характером взаимодействия
дислокационной структуры со сложными комплексами ра-
диационных дефектов. В условиях нейтронного облучения
вследствие избытка атомных дефектов и нарушений в кри-
сталлической решетке ускоряются диффузионные процес-
сы и, как следствие, ускоряются зарождение и обособление
избыточных карбидных, интерметаллидных и других фаз.
Таким образом, процессы образования радиационных де-
фектов, а также процессы их аннигиляции значительно за-
висят не только от условий облучения, но и от структурно-
го состояния материала на различных этапах распада твер-
дого раствора при температурно-временных и температур-
но-деформационных циклах.
Критерии работоспособности конструкционных
материалов
ядерных и термоядерных энергетических установок
Создание новых конструкционных материалов или оцен-
ка пригодности сталей и сплавов к специфическим услови-
ям эксплуатации их в качестве основных узлов атомных и
термоядерных энергетических установок являются весьма
сложными научными и инженерными задачами, которые
еще не решены полностью и для традиционных энергети-
ческих установок с длительным сроком службы.
По сравнению с материалами традиционных энергети-
ческих установок конструкционные материалы атомных
энергетических установок работают в более сложных усло-
виях, так как нейтронное облучение ускоряет процессы
ползучести, усиливает временную зависимость прочности,
резко снижает кратковременную и длительную пластичность
при умеренных (20-450 °C), высоких (500-800 °C) и осо-
бенно сверхвысоких (выше 800 °C) температурах, повыша-
ет критическую температуру перехода из хрупкого в вяз-
53
кое состояние, снижает коррозионную стойкость, а также
при накоплении определенной дозы нейтронов вызывает по-
рообразование и радиационное распухание.
В результате ядерных реакций в материалах образуются га-
зообразные примеси (гелий, водород и др.), приводящие к гели-
евому охрупчиванию, водородной хрупкости, газовому распу-
ханию. Существенное влияние на сопротивляемость разруше-
нию конструкционных материалов могут оказывать и негазо-
вые продукты ядерных превращений, особенно при накоплении
их выше предела растворимости в твердых растворах.
Особую сложность представляет выбор конструкционных
материалов для узлов активной зоны (оболочек ТВЭЛов,
чехлов технологических каналов и др.) реакторов на быст-
рых нейтронах, так как флюенс нейтронов на эти материа-
лы составляет до 3 • 1023 нейтр/см2 при рабочих температу-
рах 300-700 °C. В таких температурно-временных услови-
ях радиационное распухание аустенитных хромоникелевых
коррозионно-стойких сталей и сплавов, являющихся основ-
ными конструкционными материалами активных зон атом-
ных энергетических установок, может достигать 10-30 % .
При недопустимо большом распухании возможно «за-
клинивание» отдельных элементов активной зоны, а при
неравномерном распухании по высоте и радиусу возможен
их изгиб. И то и другое приводит к уменьшению проход-
ных сечений для теплоносителя и к иным неблагоприят-
ным последствиям.
При анизотропном распухании по периметру и толщине
оболочек ТВЭЛов возможно появление дополнительных
напряжений, осложняющих работоспособность материалов
в составе конструкции. Если даже не рассматривать взаи-
модействие плазмы с поверхностью материала первой стен-
ки, то и тогда остается проблемой предотвращение в нем
опасных объемных изменений, снижения механических, фи-
зических и других свойств.
Таким образом, радиационное распухание и другие от-
меченные неблагоприятные последствия нейтронного облу-
чения могут стать определяющими в создании работоспо-
собных и экономичных быстрых реакторов и перспектив-
ных термоядерных энергетических установок.
В меньшей степени изучено влияние вакансионной пори-
стости на снижение деформационной способности конструк-
ционных материалов. Можно полагать, что наибольшую опас-
ность следует ожидать от скоплений крупных пор. В таких
местах возможна локализация пластической деформации и,
54
как следствие, преждевременное хрупкое разрушение на
межфазных границах. Поэтому выявление природы и меха-
низма зарождения вакансионных пор, а также способов ос-
лабления или подавления радиационного распухания явля-
ется важнейшей проблемой, имеющей не только теоретиче-
ское, но и прикладное значение при изучении прочности кон-
струкционных материалов.
Деформационная способность теплоустойчивых и жаро-
прочных материалов — один из основных критериев, опре-
деляющих сопротивляемость изделий разрушению в про-
цессе эксплуатации при высоких температурах.
Хрупкое разрушение металлов, работающих в условиях
ползучести и релаксации, ограничивает срок службы мно-
гих деталей и агрегатов обычных энергетических устано-
вок. Ускоренное снижение пластичности в условиях реак-
торного облучения оказывает еще большее влияние на ха-
рактеристики жаропрочности конструкционных материалов.
В связи с этим изучение закономерностей изменения де-
формационной способности при нейтронном облучении и
определение предельной пластичности в зависимости от
радиационной повреждаемости являются неотложными за-
дачами. Эти сведения необходимы не только для рекомен-
дации материалов к применению в конкретных темпера-
турно-временных условиях службы, но и для выявления
способов рационального легирования при получении новых
радиационно-стойких сплавов (табл. 1.27). Из представлен-
ных данных следует, что среди многообразия критериев,
определяющих пригодность конструкционных материалов
к конкретным условиям эксплуатации, важнейшим явля-
ется деформационная способность. Нейтронное облучение
во всех температурно-временных областях снижает дефор-
мационную способность сталей и сплавов.
Таблица 1.27
Влияние нейтронного облучения
на критерии работоспособности конструкционных материалов
Явление Отрицательные последствия
Ваканс ионное поро- образование и радиа- ционное распухание Уменьшение проходных сечений для теплоноси- теля, «заклинивание» отдельных движущихся элементов, изгиб конструкций от неравномерного распухания по высоте и радиусу. Снижение де- формационной способности, возникновение до- полнительных напряжений от неравномерности распухания
55
Продолжение табл. 1.27
Явление Отрицательные последствия
Высокотемператур- ное охрупчивание Усиление временной зависимости прочности, про- явление физических переломов на кривых дли- тельной прочности. Снижение прочности границ зерен, развитие межзеренных клиновидных и по- рообразных трещин (полостей), бездеформацион- ное разрушение, проявление хрупкости, т. е. по- теря устойчивой зависимости длительной проч- ности от напряжения и температуры, расширение температурно-временной области с низкой де- формационной способностью, усиление хрупкости с увеличением размера зерна и снижение длитель- ной прочности крупнозернистых материалов, не- обратимость высокотемпературного гелиевого ох- рупчивания
Радиационно-стиму- лированная диффу- зия и радиационно- стимулированный и индуцированный рас- пад твердых раство- ров Ускорение и усиление низко- и высокотемпера- турного охрупчивания при избирательном (грани- цы зерен, плоскости двойникования, другие по- верхности раздела) распаде твердых растворов (при однородном распаде возможно проявление и поло- жительного влияния радиационно стимулирован- ной диффузии — восходящая ветвь кривой длитель- ной пластичности в аустенитных сплавах, замена пластинчатых гидридов глобулярными в сплавах титана, ускорение релаксации структурных напря- жений в мартенситно-стареющих сталях и др.). Облегчение коалесценции и миграции пузырьков гелия к границам зерен и другим поверхностям раздела — усиление охрупчивания
Радиационная пол- зучесть Ускорение ползучести, проявление ползучести при более низких температурах. Вырождение третьего периода ползучести — развитие хрупкос- ти и возможность проявления внезапного разру- шения. Сокращение второго периода ползучести при развитом третьем периоде — усиление вре- менной зависимости прочности при относительно вязком разрушении
Термическая уста- лость и термические удары Снижение сопротивляемости термической уста- лости вследствие снижения деформационной способности. Ускорение роста трещин, обуслов- ленное циклическими напряжениями, а также притоком гелия, образующегося при ядерных ре- акциях и распаде трития, диффундирующего из плазмы
56
Продолжение табл. 1.27
Явление Отрицательные последствия
Низкотемпературное охрупчивание Проявление хрупкости при низких температурах в аустенитных сталях и сплавах. Усиление охруп- чивающего влияния в сталях и сплавах с ОЦК- и ГПУ-решетками (ферритные стали, сплавы ти- тана и циркония и др.). Вырождение равномерно- го удлинения, потеря способности металла к де- формационному упрочнению (потеря устойчивос- ти деформирования), локализация деформации, преждевременное развитие повреждений, появле- ние газовой неплотности в тонкостенных конст- рукциях. Вырождение сосредоточенной деформа- ции — интенсификация повреждаемости в шейке облученных материалов. Интенсификация карби- до- и нитридообразования (и образования других вторичных фаз) в низкотемпературном интервале
Радиационная хлад- ноломкость Повышение температуры хрупко-вязкого перехо- да в материалах с ОЦК- и ГПУ-решетками (фер- ритные и перлитные стали, тугоплавкие сплавы, а-сплавы титана и др.), уменьшение работы раз- рушения. Усиление вредного влияния крупнозер- нистого строения структурных составляющих на склонность к хрупкости. Усиление влияния вред- ных примесей (Р, Sn, Sb и др.) и некоторых эле- ментов внедрения (N, Н) и замещения (Си, Ni) на повышение критической температуры хрупкости перлитных и ферритно-перлитных сталей
Снижение сопротив- ляемости коррозион- ному разрушению Ускорение общей и язвенной коррозии в контакте с хлорсодержащими средами. Резкое снижение сопротивляемости коррозионному растрескиванию аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов. Деструкция защитной пленки — ускорение воз- никновения начальных очагов коррозии. Повы- шение склонности к водородному охрупчиванию углеродистых низколегированных и ферритных сталей и других материалов
Физическое и хими- ческое распыление Утонение несущих конструкций. Избирательность распыления, обеднение поверхностных слоев оп- ределенными элементами, перераспределение концентрации легирующих элементов в поверх- ностных слоях, изменение комплекса механиче- ских, физических и других свойств (появление 5- феррита или мартенсита в аустенитных сталях и др.). Ускорение эрозии в результате образования более летучих химических соединений (напри- мер, гидридов или оксидов) при взаимодействии атомарных ионов химически активных газов (Н+, О+, N+ и др.) с контактирующей поверхностью
57
Известно, что жаропрочность и хладостойкость весьма
чувствительны к структурным изменениям, происходящим
в сталях и сплавах при изменении температурно-времен-
ных условий эксплуатации. Управление свойствами конст-
рукционных материалов (ослабление или подавление небла-
гоприятной радиационной повреждаемости) требует выяс-
нения влияния на них структурных превращений на раз-
личных стадиях распада твердых растворов под воздействием
облучения.
Состав и свойства реакторных материалов
Корпусные материалы. Для изготовления узлов атомных
электростанций используют различные стали. Для обечаек
корпусов реакторов в США широко используют рекомендуе-
мые ASTM (American Society for Testing Materials) феррит-
ные низкоуглеродистые и низколегированные стали марок
А508-2 и А533. Стали легированы марганцем и молибденом,
причем первая марка дополнительно модифицирована неболь-
шими добавками никеля и хрома. После улучшения стали
характеризуются высокой прочностью и вязкостью и благо-
даря низкому содержанию углерода имеют хорошую свари-
ваемость.
Технические условия ASTM на эти стали для повыше-
ния стойкости к радиационному охрупчиванию устанавли-
вают низкое массовое содержание вредных примесей (ме-
нее 0,012 % Р и 0,015 % S).
Исследование границ зерен и поверхностей разрушения
с помощью Оже-спектроскопии показало необычайно высо-
кую концентрацию серы (более 10 %) на поверхности раз-
рушения сварных соединений, в которых объемное содер-
жание серы составляло около 0,01 %.
Однако эти ферритные стали быстро теряют прочность
при повышении температуры и не обладают достаточной
коррозионной стойкостью. Поэтому внутренние поверхнос-
ти всех компонентов первого контура плакируют аустенит-
ными хромоникелевыми коррозионно-стойкими сталями се-
рии 300 AISI. Химический состав и свойства этих и других
реакторных сталей приведены в табл. 1.28.
Применяют стали марок 304 (Х18Н9), 316 (Х18Н12), 304L,
316L, дополнительно легированные молибденом. Буква L
в конце обозначения марки указывает на низкое массовое
содержание углерода, которое в этих сталях составляет око-
58
Таблица 1.28
Составы сталей, используемых в реакторостроении, % (по массе)
Марка С Si Мп Сг Ni Мо V Другие элементы
Углеродистые и низколегированные ферритные
А508/2 AISI (США) 0,27 0,7 0,35 0,7 0,6 0,05 До 0,1 Си
А533 AISI (США) Ферр! 403 AISI (США) 0,23 1ТНЫ 0,15 0,15- 0,3 е к о 0,5 1,15- 1,5 э р о 3 и о н н 11,5- 13,0 О - С т 0,45- 0,6 О Й К F 1,0 0,05 е с До 0,1 Си тали
410 AISI (США) 0,15 1,0 11,5- 13,5 1,0
НТ9 Сандвик (Швеция) 0,20 0,4 1,0 11,5 0,55 0,3 0,5 W
R8 (Франция) 0,10 0,3 2,0 9,5 1,0 0,35 0,5 Nb
НСМ9М (Япония) А у с т е г 304 AISI (США) До 0,06 I и т Н 0,08 0,5 ы е к 1,0 1,8- 2,2 зрро 2,0 8-10 з и о н 18-20 н о - с 8-12 0,3- 0,7 т о й к 2,0 и е стали
304L AISI (США) 0,03 1,0 2,0 18-20 8-12 2,0
316 AISI (США) 0,08 1,0 2,0 16-18 10-14 2,0
316L AISI (США) 0,03 1,0 2,0 16-18 10-14 2-3
321 AISI (США) 0,08 1,0 17-19 9-12 Ti>5x%C
347 AISI (США) О т е ч е 12Х18Н10Т 0,08 с т в е 0,12 1,0 н н ы 0,80 2,0 3 СП л 2,0 17-19 а в ы 17-19 9-13 и о Г < 9-11 ЭСТ 5 6 3 Nb>10x%C 2-72 Ti>5x%C
08Х17Н13М2Т 0,08 0,80 2,0 16-18 12-14 2-3 Ti>5x%C
08Х18Н12Б 0,08 0,80 2,0 17-19 11-13 Nb>10x%C
Примечав и е. Содержание вредных примесей S и Р менее 0,030 %.
59
Температура, °C
Рис. 1.3. Сравнение сопротивления пол-
зучести (напряжение, при котором ско-
рость ползучести составляет 10~4 % /ч)
сплавов и сталей:
1 — специальные сплавы после обработки
давлением; 2 — литые специальные спла-
вы; 3 — сталь типа 18-8 Мо; 4 — сталь
типа 25-20; 5 — сталь типа 18-8; 6 — сталь
типа 0,5 Мо; 7 — углеродистая сталь
ло 0,03 % по сравнению
с 0,08 % в сталях обычной
выплавки. Низкоуглероди-
стые стали имеют более вы-
сокую коррозионную стой-
кость, особенно к меж-
кристаллитной коррозии и
коррозии под напряжени-
ем. Состав аустенитных
сталей других стран, в том
числе России, близок аме-
риканскому.
Корпус жидкометалли-
ческого реактора, работаю-
щего при более высокой
температуре, для предотв-
ращения ползучести изго-
тавливают целиком из ста-
лей типа 304 и 316. Кор-
пуса современных моди-
фикаций реакторов HTGR
работают при еще более
высоких температурах (до 700 °C) и давлениях в активной зоне
(7,25 МПа). Для их изготовления применяют сплавы на осно-
ве никеля и кобальта, легированные хромом и молибденом.
Сопротивление ползучести специальных сплавов примерно
в два раза превышает сопротивление ползучести аустенитных
сталей типа 18-8 при температуре 650 °C, причем при более
высоких температурах это различие возрастает (рис. 1.3).
Механические свойства аустенитных Сг—Ni коррозионно-стой-
ких сталей при комнатной температуре
Марка............................
Временное сопротивление, МПа,
не менее ........................
Предел текучести, МПа, не менее . .
Относительное удлинение на базе
50 мм, %, не менее ..............
Относительное сужение, %, не менее
Модуль Юнга, ГПа.................
Твердость по Бринеллю НВ, МПа,
не более ........................
Сопротивление ползучести при 538 °C,
МПа для деформации на 1 %
за 10 000 ч ...................
за 100 000 ч ..................
304 304L 316 316L 347
552 483 517 483 552
207 172 207 207 207
50 40 40 40 40
60 60 50 60 50
200 200 200 200 200
1800 1800 2000 1800 2000
131 131 165 165 221
90 90 103 103 186
60
Наиболее опасным следствием облучения является ради-
ационное распухание. На рис. 1.4 представлены характери-
стики радиационного распухания ряда марок сталей и спла-
вов. Распухание можно подавить путем структурно-прину-
дительной рекомбинации разноименных радиационных де-
фектов металлов за счет непрерывного распада твердого
раствора с определенной дилатацией на границе матрицы с
образующейся вторичной фазой. Возникающие при распа-
де сильные поля структурных напряжений способствуют
рекомбинации радиационных дефектов и существенно сни-
жают распухание. Развитое дисперсионное твердение явля-
ется способом подавления радиационного распухания.
24
20
16
8
^12
8
Н
е
а
4
О
Массовое содержание Ni, %
Рис. 1.4. Зависимость радиационного распухания сталей и спла-
вов с ОЦК- и ГЦК-решетками от структуры:
I — ферритные, ферритно-мартенситные, мартенситно-аустенитные
стали и сплавы (ОЦК-решетка); II — аустенитные твердорастворо-
упрочняемые стали и сплавы (ГЦК-решетка); III — аустенитные
дисперсионно-твердеющие стали и сплавы; IV — высоконикелевые
аустенитные сплавы
61
Распухание уменьшается при повышении содержания
никеля и может быть полностью подавлено при его концен-
трации около 40 % (рис. 1.5). Легирование титаном и алю-
минием способствует переходу сталей и сплавов в группу
дисперсионно-твердеющих материалов, что позволяет умень-
шить высокое содержание никеля, почти полностью пода-
вив радиационное распухание. Дисперсионному твердению
способствует модифицирование стали редкоземельными эле-
ментами — иттрием, празеодимом. Высокое сопротивление
распуханию достигается в экономно легированных никелем
сталях типа Х12Н23МТЗЦЧ (23 % Ni), Х15Н15МЗТЦЧ
(15 % Ni), Х15Н11Т2ЦЧ (11 % Ni).
Рис. 1.5. Влияние содержания никеля на радиационное распухание
зарубежных аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов. Об-
лучение ионами Ni2+ с энергией 5 МэВ, флюенсом 1017 нейтр./см2
(около 140 смещ/ат) при 635 °C
62
Материалы теплообменников
В реакторах АЭС используются крупные парогенераторы,
с помощью которых осуществляется теплопередача от перво-
го контура ко второму. Передача теплоты осуществляется
через стенки тысяч труб парогенераторов. Материал труб
должен обладать высокой теплостойкостью и коррозионной
стойкостью, особенно со стороны второго контура, где среда
более агрессивна. Первоначально для их изготовления при-
меняли хромоникелевые стали типа 18-8 и 18-12. Более
высокую надежность имеют холоднотянутые трубы из спла-
вов на основе никеля. На АЭС США для труб парогенерато-
ров обычно используют инконель 600, содержащий 60,5 % Ni,
23 % Сг, 14,1 % Fe и небольшие количества других элемен-
тов. В Германии отдают предпочтение сплаву инконель 800
(34 % Ni, 21 % Сг, 43 % Fe). Инконель 600 имеет высокие
прочностные характеристики и хорошо сопротивляется пол-
зучести до 630-650 °C, однако при более высоких температу-
рах сопротивление ползучести быстро падает.
Из-за скопления примесей в участках второго контура
с плохой циркуляцией может образоваться щелочная среда.
В щелочных растворах с высокой температурой резко возра-
стает опасность межкристаллитного коррозионного растрес-
кивания под напряжением. Присутствующие в воде приме-
си и растворенные газы (водород, кислород или аммиак) спо-
собствуют коррозии. Наибольшей стойкостью к коррозион-
ному растрескиванию обладает сплав инконель 800. Высокую
надежность имеют титановые трубопроводы, особенно в аг-
рессивных средах. Широкое внедрение трубопроводов из этого
материала сдерживается высокой стоимостью как самого
титана, так и изготовления из него изделий.
Конструкционные материалы
тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов)
ТВЭЛы представляют собой длинные трубы, в которые
загружается топливо в виде таблеток из оксида урана или
смешанного уран-плутониевого оксида. Трубы служат обо-
лочками и представляют собой барьеры, которые препят-
ствуют выходу в контур продуктов деления, выделяющих-
ся из топлива во время облучения.
Конструкция ТВЭЛов должна обеспечивать экономиче-
ски выгодный топливный цикл. Помимо высокой радиаци-
63
онной стойкости ТВЭЛы должны иметь такие характерис-
тики, которые позволяют сделать работу АЭС безопасной.
Первое требование вынуждает выбирать конструкционные
материалы с низким сечением захвата нейтронов, тогда как
второе требование вынуждает отдавать предпочтение мате-
риалам с необходимыми механическими и коррозионными
характеристиками.
Оболочки ТВЭЛов первых реакторов изготовлялись из
хромоникелевых аустенитных сталей благодаря их высо-
ким механическим и антикоррозионным характеристикам.
Их недостатками являются низкая сопротивляемость рас-
пуханию под действием нейтронного облучения и высокое
сечение захвата нейтронов.
На смену оболочкам из коррозионно-стойких сталей при-
шли оболочки из циркониевых сплавов — циркалоев. Цир-
калой имеют по сравнению со сталями в 15 раз меньшее
сечение захвата нейтронов, низкий коэффициент линейно-
го расширения, хорошее сопротивление ползучести и высо-
кую пластичность.
Радиационная стойкость реакторных материалов может
быть достигнута при выполнении комплекса условий. К ним
относятся оптимальные химический состав и структура мате-
риалов, условия их эксплуатации: уровни рабочей температу-
ры, нейтронного потока и свойства коррозионной среды.
Глава 2
СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК
Множество процессов получения элементарных деталей
и их полуфабрикатов из металлов и сплавов, применяемых
в общественном производстве, можно подразделить на сле-
дующие пять основных классов, определяющих соответ-
ственно пять основных прикладных наук первичной техно-
логии (рис. 2.1).
Первый класс — процессы формообразования
деталей путем удаления излишка материала из заданного
объема (заготовки) и придания им требуемой конфигура-
ции и свойств, предусмотренных конфигурацией деталей
(лезвийное удаление или резание, электрохимическая об-
работка, электрофизические методы обработки, оплавление,
испарение и т. д.). Механические свойства получаемой де-
тали в этом случае равны или ниже механических свойств
исходного полуфабриката.
лил»-» J
Ким. -> 0,42... 0,45 Ким. - > 1
Рис. 2.1. Принципиальная классификация прикладных наук первичной
технологии машиностроения [15]
65
Второй класс — синтезирование (конденсация) из
дискретных и элементарных частиц (прессование из гра-
нул, проволоки, волокон, мелкодисперсных порошков, осаж-
дение и конденсация из молекул и атомов). Механические
свойства детали в этом случае приближаются к механиче-
ским свойствам дискретных частиц.
Третий класс — процессы формообразования
деталей из расплава на основе использования свойств ме-
таллов и сплавов принимать жидкое агрегатное состояние
(литейные процессы).
Четвертый класс — процессы формообразования,
основанные на использовании способности металлов и спла-
вов при определенных условиях необратимо изменять свою
форму без разрушения (процессы обработки металлов плас-
тическим деформированием, давлением).
Пятый класс — процессы формообразования слож-
ных деталей и узлов путем соединения элементарных дета-
лей и их частей различными методами образования меж-
атомных связей (сваркой, пайкой, пластической деформа-
цией и т. д.).
Процессы этих классов применяют отдельно и в сочета-
нии друг с другом, т. е. в виде сложных, комплексных про-
цессов для формообразования штампосварных, литосварных
и других сложных деталей.
В рассматриваемом случае (рис. 2.1) без учета сложных
сочетаний и значимости входящих в сочетание классов число
разновидностей групп классов будет равно 31.
При этом каждый из определяющих класс процессов,
в свою очередь, содержит множество разновидностей в зави-
симости от конструкции формообразуемой детали, вида и
условий физического или физико-химического воздействия.
В частности, класс процессов обработки металлов пласти-
ческим деформированием состоит из сотен и тысяч различ-
ных разновидностей. Это же касается и процессов литья.
2.1. Особенности формирования литых заготовок
Для получения отливок при любом способе литья не-
обходима литейная форма, которая определяет наружные
и внутренние контуры отливок. Литейные формы изго-
тавливают из различных материалов и в зависимости от
свойств последних подразделяют на две группы: разовые и
постоянные.
66
Разовые формы используют для получения одной отливки,
при извлечении которой форму разрушают. Для изготовления
разовых форм применяют песчано-глинистые, песчано-масля-
ные, термореактивные и другие формовочные смеси.
Разовые формы могут быть сухими и сырыми. По тол-
щине стенок их подразделяют на толстостенные (толщина
стенок 25-250 мм и более), тонкостенные и оболочковые
(толщина стенок 5-10 мм). К разовым формам относятся
также неразъемные формы, используемые, в частности, при
литье по выплавляемым моделям.
Постоянные металлические формы широко используют
в серийном и массовом производствах, в основном для от-
ливок из цветных металлов и сплавов. Материалом для этих
форм могут быть чугун, сталь или алюминиевые сплавы.
Постоянные формы применяют при специальных способах
литья — кокильном, центробежном, под давлением и др.
При всех способах литья (за исключением литья по вы-
плавляемым моделям) форма имеет один или несколько
разъемов. При выборе литейной формы исходят из назна-
чения, характера отливок и серийности их выпуска.
Конструкция литейной формы и материал, из которого
она изготовлена, оказывают большое влияние на характер
формирования отливок и на их качество. Материал формы
должен обладать достаточной податливостью, хорошо про-
тивостоять статическому и динамическому воздействиям
жидкого металла. Форма должна быть газопроницаемой —
хорошо пропускать воздух, газы и пары, образующиеся при
заливке жидкого металла; податливой — не оказывать боль-
шого сопротивления усадке.
Формирование основных свойств отливки (плотности,
структуры, механических свойств, стабильности размеров и
параметров шероховатости поверхности) обусловлено проте-
канием процессов взаимодействия металла отливки и формы
при заливке формы, затвердевании и охлаждении отливки.
Затвердевание в значительной степени зависит от усло-
вий теплообмена между металлом и формой. Особенность
разовых форм — их низкая по сравнению с металлом отлив-
ки теплоаккумулирующая способность. Кристаллизация и
охлаждение протекают в естественных условиях медленно,
в результате чего структура отливок становится неравномер-
ной. Поэтому наиболее плотный и качественный металл
с наилучшими механическими свойствами расположен вблизи
от поверхности отливки. В центральных слоях структура
крупнозернистая, механические свойства пониженные.
67
Повышенная скорость охлаждения способствует улучше-
нию качества отливки, структура получается более мелко-
зернистой, что существенно повышает механические свой-
ства отливки. В табл. 2.1 приведены для сопоставления
механические свойства отливок из алюминиевых сплавов
при литье в кокиль и песчано-глинистые формы.
С другой стороны, при литье в металлические формы
чугунные отливки, как правило, получаются с отбеленным
поверхностным слоем и остаточными внутренними напря-
жениями, что затрудняет их механическую обработку и
требует дополнительной термической обработки.
Охлаждение жидкого металла, его затвердевание, а так-
же последующее охлаждение в твердом состоянии связаны
с сокращением объема отливки. При кристаллизации по
внешнему контуру в первую очередь образуется твердая
корка. Затвердевший контур отливки можно рассматривать
как сосуд, в котором заключена имеющая более высокую
температуру жидкость. В процессе затвердевания и охлаж-
дения объем жидкости и твердая корка сокращаются, но
в разной степени. Результатом этой разницы является об-
разование в отливке свободных от металла полостей, кото-
рые называются усадочными.
Различают два вида усадочных полостей: раковины и
поры. Усадочные раковины сосредоточиваются в частях
отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. Уса-
дочная пористость располагается в относительно большой
зоне отливки. В процессе охлаждения из-за усадки проис-
ходит сокращение линейных размеров отливки, т. е. проис-
ходит линейная усадка, которая может вызвать появление
Таблица 2.1
Механические свойства отливок из алюминиевых сплавов
Литье Механические свойства отливок Марка сплава
АЛЗ АЛЗ-Т5 АЛ4-Т6 АЛ7-Т4 АЛ7-Т5 АЛ9-Т5 АЛИ
В пес- чаные формы Предел прочно- сти ств, МПа 140 220 230 200 220 200 200
Относительное удлинение8,% 0,5 0,5 3,0 6,0 3,0 2,0 2,0
В ко- КИЛЬ Предел прочно- сти <тв, МПа 170 250 240 210 230 210 250
Относительное удлинение8,% 0,5 0,5 3,0 6,0 3,0 2,0 1,5
68
Таблица 2.2
Точность и качество поверхности отливок,
получаемых различными способами
Литье Масса отливки, кг Материал отливки Тип производ- ства Квалитет Параметр шерохова- тости Яг, мкм
В песчаные формы До 100 Алюми- ниевые сплавы Массовое 12-14 320-20
Серийное 14-15 320-40
Единичное 15-17 320-80
Св. 100 до 1000 Массовое 14-15 320-40
Серийное 15-17 320-80
Единичное 17* 320-80*
До 100 Чугун, сталь Массовое 14-16 320-20
Серийное 16-17 320-40
Единичное 17-19 320-80*
Св. 100 до 1000 Массовое 15-16 320-40
Серийное 16-19 320-80
Единичное 19* 320-80*
Св. 1000 Серийное 16* 320-80*
Единичное 19* 320-160*
Штамповкой жидкого ме- талла До ю Алюми- ниевые сплавы Массовое 12-14 160-20
Серийное 14-15 320-20
Св. 10 Массовое 12-14 320-20
Серийное 14-15 320-40
До Ю Чугун, сталь Массовое 12-14 320-20
Серийное 14-15 320-40
Под давле- нием До 1 Цинко- вые сплавы Массовое 11-12 40-10
Серийное
Св. 1 до 10 Массовое 12-14 40-10
Серийное 12-15 40-20
До1 Алюми- ниевые сплавы Массовое 12-14 40-10
Серийное 12-15 40-20
Св. 1 до 10 Массовое 12-14 40-10
Серийное 12-15 40-20
69
Продолжение табл. 2.2
Литье Масса отливки, кг Материал отливки Тип производ- ства Квалитет Параметр шерохова- тости Яз, мкм
Под давле- нием До 1 Сталь Массовое Серийное 12-14 80-20
С кристалли- зацией под поршневым давлением До Ю Цветные сплавы Массовое Серийное 11-12 40-10
В кокиль До 100 Алюми- ниевые сплавы Массовое 12-14 160-20
Серийное 320-20
Св. 10 до 100 Единичное 14-16 320-40
Массовое 12-14 320-20
Серийное 14-16
До 100 Чугун, сталь Единичное 16-18 160-80*
Массовое 12-15 320-40
Серийное 14-16 320-80
Св. 10 до 100 Массовое 14-15 320-40
Серийное 15-16 320-80
Единичное 16-17 320-160
В оболочко- вые формы До ю Массовое 12-14 160-20
Серийное 14-15 320-40
Св. 10 до 100 Массовое 12-15 320-40
Серийное 14-16 320-80
До Ю Алюми- ниевые сплавы Массовое 12-14 80-10
Серийное 12-15 160-20
По выплав- ляемым моделям До 1 Сталь Массовое 12-15 80-10
Серийное 13-14 80-20
Св. 1 до 10 Массовое 12-15 80-20
Серийное 14-16 80-40
Примечание. Для условий, помеченных *, квалитет и шероховатость мо-
гут составлять большие значения, чем указаны в таблице.
70
в металле внутренних литейных напряжений, деформацию
отливки и трещины. Сплошность металла может нарушиться
не только в результате образования усадочной пористости,
но и в результате попадания в кристаллизующийся металл
пузырьков газа.
После заливки металла в форму на границе их соприкос-
новения создается повышенное газовое давление, иногда
достаточное для «проталкивания» газов в металл. Если фор-
ма пористая, то часть газов через поры формы вытесняется
в окружающую среду. Если же форма обладает низкой га-
зопроницаемостью, то внутри отливки образуются газовые
раковины и поры. Песчаные разовые формы — тела порис-
тые, хорошо пропускают газ и воздух. Металлическая фор-
ма не обладает газопроницаемостью, поэтому при ее исполь-
зовании возможность получения отливок с повышенной га-
зовой пористостью более вероятна.
Если материал детали, изготавливаемой литьем, облада-
ет пониженными литейными свойствами, то для получения
качественной заготовки более целесообразно использовать
литье в разовые формы.
Вторым важным фактором, обусловливающим получение
отливок без внутренних дефектов, является соблюдение
правил литейной технологии, обеспечение хорошего запол-
нения и питания формы. Для более подробного ознакомле-
ния с этим вопросом можно обратиться к специальной ли-
тературе [4, 19, 21, 24-26, 36, 47, 51].
Возникновение литейных дефектов типа усадочной по-
ристости, коробления, горячих и холодных трещин во мно-
гом зависит от правильной, технологичной конструкции
отливки. О правилах конструирования технологичных от-
ливок будет сказано ниже.
Материал формы оказывает большое влияние на точность
размеров и параметр шероховатости поверхности отливки
(табл. 2.2).
2.2. Способы получения литых заготовок
Современные способы получения заготовок литьем в до-
статочной степени обеспечивают заданные точность, пара-
метры шероховатости поверхности, физические и механи-
ческие свойства заготовок. Поэтому при выборе способа по-
лучения заготовки необходимо оценивать все преимущества
71
и недостатки каждого рассматриваемого, сопоставляемого
варианта. Без такой оценки невозможно принять правиль-
ное решение об использовании того или иного способа, не-
возможен выбор оптимального варианта (табл. 2.3).
В производстве литых заготовок значительный объем
занимает литье в песчано-глинистые формы, что объ-
ясняется его технологической универсальностью. Этот спо-
соб литья экономически целесообразен при любом типе
производства, для деталей любых масс, конфигураций, га-
баритных размеров, для получения отливок практически
из всех литейных сплавов. Изменяя способ формовки, ис-
пользуя различные материалы моделей и составы формо-
вочных смесей, можем получить отливки с достаточно точ-
ными размерами, чистой поверхностью, не требующие пос-
ледующей механической обработки по отдельным поверх-
ностям (рис. 2.2).
Большое влияние на качество отливок оказывают также
тип и культура производства. С увеличением серийности
производства целесообразным является использование бо-
лее точных, но дорогих моделей и формовочных смесей, при-
менение машинной формовки. Этим достигаются уменьше-
ние массы заготовки, повышение коэффициента весовой точ-
ности, снижение последующей механической обработки.
В общем случае литьем в песчано-глинистые формы мож-
но получать отливки с шероховатостью поверхности Rz =
= 320-^40 мкм и с точностью, соответствующей 14-17-му
квалитетам и грубее. Однако если форма изготовлена из
Рис. 2.2. Эскиз отливки, получаемой литьем в пес-
чаные формы
72
Таблица 2.3
Основные способы изготовления отливок и области их применения
Способ изготовления Масса, т, не более Мате- риал Область применения; особенность способа
Разовые формы
Литье в песчано-глини- стые формы: ручная формовка: в почве (с верхом) 200 Станины, корпуса машин, ра- мы, цилиндры, шаботы моло- тов, траверсы
по шаблону 100 Ст, Сч, Кч, Вч, Цм, Цс Отливки в виде тел вращения (зубчатые колеса, кольца, дис- ки, трубы, шкивы, маховики, котлы, цилиндры)
в крупных опоках 100 Станины, бабки, коробки ско- ростей, блоки цилиндров
в съемных опоках со стержнями из быстротвердеющей смеси 35,0 Станины ГКМ, болтовысадоч- ных автоматов, ножниц; позво- ляет уменьшить припуски на 25-30 % и трудоемкость меха- нической обработки на 20-25 %
в почве (с верхней опокой с облицо- вочным слоем из быстротвердеющей смеси) 25,0 Шаботы, станины, цилиндры; позволяет снизить трудоем- кость изготовления заготовки и механической обработки за счет уменьшения припусков на 10-18 %
в стержнях 2,00 Отливки со сложной ребрис- той поверхностью (головки и блоки цилиндров, направляю- щие)
в почве (открытая) 0,15 Отливки, не требующие меха- нической обработки (плиты, подкладки)
в мелких и средних опоках 0,10 Рукоятки, шестерни, шайбы, втулки, рычаги, муфты, крыш- ки
машинная формовка: в крупных опоках 2,00 Ст, Сч, Кч, Вч, Цм, Цс Бабки, суппорты, корпуса не- больших станин
в мелких и средних опоках 0,10 Шестерни, подшипники, муф- ты, маховики; позволяет полу- чить отливки повышенной точ- ности с чистой поверхностью
73
Продолжение табл. 2.3
Способ изготовления Масса, т, не более Мате- риал Область применения; особенность способа
Литье в оболочковые формы: песчано-смоляные 0,15 Ст, Чу, Цс Ответственные фасонные от- ливки в крупносерийном и массовом производствах
химически твердею- щие: тонкостенные (10-20 мм) 0,20 Ответственные фасонные мел- кие и средние отливки
толстостенные (50-150 мм) 40,0 Большие отливки (станины штамповочных молотов, по- душки прокатных станов)
жидкостекольные оболочковые 0,10 Уст, А1с, Сое, Сгс, Ст, Ла Точные отливки с высокой чистотой поверхности в серий- ном производстве
Литье по выплавляемым моделям 0,15 Вст, Сщ Лопатки турбин, клапаны, дю- зы, шестерни, режущий инст- румент, детали приборов; ке- рамические стержни позволя- ют изготовлять отливки тол- щиной 0,3 мм и отверстия диа- метром до 2 мм
Литье по растворяемым моделям 0,15 Ti, Жет Лопатки турбин, детали при- боров; солевые модели улуч- шают чистоту поверхности
Литье по замораживае- мым моделям 0,14 Тонкостенные отливки (ми- нимальная толщина стенки 0,8 мм, диаметр отверстия до 1 мм)
Литье по газифицируе- мым моделям Пс Литье в формы: гипсовые 0,15 • стоя 0,10 Лс н н ы е Ст, Чу, Цм, Цс Мелкие и средние отливки (рычаги, втулки, цилиндры, корпуса) формы Крупные и средние отливки в серийном производстве
песчано- цементные 70,0
кирпичные 200
шамотно-кварцевые 100
74
Продолжение табл. 2.3
Способ изготовления Масса, т, не более Мате- риал Область применения; особенность способа
графитовые 0,014 Ст, Чу, Цм, Цс Крупные и средние отливки в серийном производстве
каменные 0,030
металло-керамические и керамические 0,025
Литье в кокиль: с горизонтальной, вер- тикальной и комбини- рованной плоскостями разъема 7,0 4,0 0,5 Чу, Ст, Цм,Цс Фасонные отливки в крупно- серийном и массовом произ- водствах (поршни, корпуса, дис- ки, коробка передач, салазки)
в облицованный ко- киль 0,25 АФст Лопатки рабочих колес гидро- турбин, коленчатые валы, бук- сы, крышки букс и другие крупные толстостенные от- ливки
Литье под давлением: на машинах с горизон- тальными и верти- кальными камерами прессования 0,10 Mgc, Ale, Znc, Pbc, Ст Отливки сложной конфигура- ции (тройники, колена, коль- ца электродвигателей, детали приборов, блок двигателя)
с применением ваку- ума 0,05 Cue Плотные отливки простой фор- мы
Центробежное литье на машинах с осью враще- ния: вертикальной 0,05 Чу, Ст, Ер Отливки тел вращения (вен- цы, шестерни, бандажи, коле- са, фланцы, шкивы, махови- ки), двухслойные заготовки (чугун—бронза, сталь—чугун) при L/D < 1
горизонтальной 0,60 Трубы, гильзы, втулки, оси при L/D > 1
наклонной (угол на- клона 3-6°) 1,00 Трубы, валы, слитки
вертикальной, не сов- падающей с геометри- ческой осью отливки 0,01 Фасонные отливки, не являю- щиеся телами вращения (рыча- ги, вилки, тормозные колодки)
Штамповка жидких спла- вов 0,30 Цс Слитки, фасонные отливки с глубокими полостями (тур- бинные лопатки, детали арма- туры высокого давления)
75
Продолжение табл. 2.3
Способ изготовления Масса, т, не более Мате- риал Область применения; особенность способа
с кристаллизацией под поршневым дав- лением 0,01 Чу, Цм Массивные и толстостенные от- ливки (без газовых раковин и пористости); можно получать уплотненные заготовки из не- литейных материалов
Литье выжиманием — Mgc, Ale Крупногабаритные отливки, в том числе ребристые; пане- ли до 1000 х 2500 мм с толщи- ной 2,5-5 мм
Вакуумное всасывание 0,01 Cue Небольшие отливки типа тел вращения (втулки, гильзы)
Последовательно направ- ленная кристаллизация 0,012 Цс Отливки с толщиной стенки до 3 мм длиной до 3000 мм
Литье под низким давле- нием 0,03 Чу, Ale Тонкостенные отливки с тол- щиной стенки 2 мм высотой 500-600 мм (головки блока ци- линдров, поршни, гильзы)
Непрерывное литье: труб и слитков:
между колесом и бесконечной лен- той Ст, Чу, Цс, Цм Трубы диаметром 300-4000 мм, слитки, катанка, полоса (тол- щиной до 20 мм, шириной до 500 мм); по своему качеству полоса не уступает полосе, по- лученной обычным способом [43]
между двумя бес- конечными лента- ми — Al, А1с Полосовая заготовка (толщиной до 50 мм, шириной до 1600 мм) [15]
бесслитковая прокат- ка Al, А1с, Pb, Zn Полосовая заготовка (толщиной до 12 мм, шириной 1600 мм). Полоса обладает некоторой анизотропией свойств, однако способ получения дает возмож- ность ее регулировать [12, 13, 35]
Примечание. Обозначения, принятые в таблице: Ст — стали, Жет —
жаропрочные стали, Уст — углеродистые стали, Кст — коррозионно-стойкие ста-
ли, Вст — высоколегированные стали, АФст — сталь аустенитного и ферритного
классов, Чу — чугун, Сч — серый чугун, Кч — ковкий чугун, Вч — высокопроч-
ный чугун, Цс — цветные сплавы, А1с — алюминиевые сплавы, Mgc — магниевые
сплавы, Znc — цинковые сплавы, РЬс — свинцовооловянные сплавы, Сое — ко-
бальтовые сплавы, Сгс — хромистые сплавы, Cue — медные сплавы, Сгц — сплавы
(за исключением щелочных металлов), Бр — бронза, Ла — латунь, Лс — любые
сплавы, Цм — цветные металлы.
76
обычной песчано-глинистой смеси, то Rz = 320 + 160 мкм, если
используется песчано-масляная смесь, Rz = 320 + 80 мкм, при
использовании хромомагнезитовых смесей Rz = 80 -s- 20 мкм.
При единичном и мелкосерийном производствах модель-
ные комплекты, т. е. модели и стержневые ящики, изго-
тавливают деревянными; в крупносерийном и массовом про-
изводствах используют в основном металлические (или
пластмассовые) модельные комплекты. Металлические мо-
дели имеют более высокие точность и чистоту поверхности,
что позволяет примерно на 10 % снизить припуски на ме-
ханическую обработку.
Литейные уклоны деревянных моделей составляют 1°-3°,
металлических при ручной формовке — 1°-2°, при машин-
ной — 0,5°-1°, что позволяет на 10-12 % повысить ко-
эффициент весовой точности. Кроме того, за счет примене-
ния металлических моделей и машинной формовки можно
получить точность отливок по 14-17-му квалитетам, в то
время как при серийном производстве точность отливок
находится в пределах 15-17-го, а при единичном 16-17-го
квалитетов.
При конструировании литых деталей большая часть по-
верхностей остается «черной», т. е. не требует последую-
щей механической обработки. Однако конструктор обязан
указать допускаемые отклонения размеров на эти поверх-
ности, согласовав их с технологом-литейщиком и техноло-
гом по механической обработке. На обрабатываемые поверх-
ности литых деталей припуски на механическую обработ-
ку назначают: по ГОСТ 2009-55 для стальных отливок;
по ГОСТ 1855-55 для чугунных отливок; по отраслевым
нормалям для цветных металлов и сплавов.
Припуски на механическую обработку задают в зависи-
мости от способа формовки, класса точности, габаритных
размеров и материала отливки, а также от положения обра-
батываемой поверхности в форме в момент заливки, при-
чем припуски на обработку должны быть минимально воз-
можными. Увеличенные припуски могут привести к появ-
лению разнотолщинности стенок отливки, снижению каче-
ства металла из-за появления литейных дефектов. Кроме
того, небольшие припуски дают возможность сохранить при
механической обработке наиболее качественный слой ме-
талла — литейную корку.
При конструировании литых изделий из жаропрочных и
коррозионно-стойких сталей для назначения допускаемых
отклонений можно пользоваться нормалью АН 20-80, где
77
предусмотрены четыре класса точности. Класс точности ука-
зывает в чертеже детали конструктор исходя из требований,
предъявляемых к отливке, но обязательно с учетом возмож-
ностей литья и экономической целесообразности. Допускае-
мые отклонения на размеры отливок из цветных металлов и
сплавов можно назначать согласно межведомственной нор-
мали Н0.010.006, в которой предусмотрено девять групп точ-
ности. Для литья в песчано-глинистых формах применяют
VIII и IX группы.
Для всех размеров отливок, получаемых литьем в песча-
но-глинистые формы, поля допускаемых отклонений уста-
навливают симметричными. Допуски не учитывают формо-
вочные уклоны в отливках, поэтому в случае необходимос-
ти размеры отливок можно увеличивать или уменьшать на
значение этих уклонов.
Точность, заданная конструктором на литую деталь, во
многом определяет стоимость отливки. Чем выше требуе-
мая точность отливки, тем выше стоимость ее изготовле-
ния, так как требуется более точная, сложная, а следова-
тельно, более дорогостоящая оснастка. Эта закономерность
отражается в виде надбавок и приплат к основной (базовой)
оптовой цене на отливки обычной точности. Размер этих
надбавок лежит в пределах 3-6 %. Поэтому при конструи-
ровании литых деталей необходимо сопоставлять эффектив-
ность, достигаемую за счет большей точности, с дополни-
тельными затратами на их изготовление.
Как указывалось выше, литье — достаточно точный спо-
соб формообразования, что дает возможность значительную
часть поверхностей не обрабатывать в механических цехах.
Отклонения геометрической формы и размеров этих поверх-
ностей должны регламентироваться заданной точностью,
лимитируемой условиями эксплуатации. Если по условиям
работы детали требуется более высокая точность, чем мож-
но обеспечить литьем в песчано-глинистые формы, следует
проанализировать возможность использования более точных
способов литья.
Но экономическая целесообразность применения того или
иного способа в каждом конкретном случае должна опреде-
ляться расчетом затрат на получение точных отливок и их
механическую обработку.
Несмотря на универсальность и относительную дешевиз-
ну, способ литья в песчано-глинистую форму связан с боль-
шим грузопотоком вспомогательных материалов, повышен-
ной трудоемкостью. Поэтому быстрыми темпами развива-
78
ются специальные виды литья — кокильное, под давлени-
ем, центробежное, по выплавляемым моделям и др.
При литье в песчано-глинистые формы 15-25 % массы
отливки превращается в стружку при механической обра-
ботке, на что расходуется около 25 % вырабатываемой элек-
трической энергии.
Переход к специальным способам литья дает возможность
снизить припуски на механическую обработку и количе-
ство стружки до 5-7 %.
Экономичность повышается с увеличением партии отли-
вок, т. е. с переходом от серийного производства к массовому.
Преимущество специальных видов литья состоит не толь-
ко в снижении объема механической обработки, но и в умень-
шении массы литниковой системы и резком снижении рас-
хода формовочных материалов. Технологический процесс
изготовления отливок этими способами легко поддается
механизации и автоматизации, что повышает производи-
тельность труда, улучшает качество отливок, снижает их
себестоимость.
Литье в оболочковые формы является прогрессивным
способом получения отливок с повышенными чистотой по-
верхности и точностью размеров. При данном способе литья
формы изготавливаются по горячим металлическим моде-
лям, формовочная смесь содержит огнеупорный материал
(например, кварцевый песок) и органические связующие —
термореактивные смолы [например, пульвербакелит (3-9 %
от массы песка)]. Оболочковая форма состоит из двух полу-
форм с горизонтальной или вертикальной плоскостью разъ-
ема и стержней. После затвердевания отливки оболочковая
форма легко разрушается. Для изготовления оболочковых форм
в производстве используются различные типы машин, основ-
ное назначение которых — формирование и съем оболочек.
Процесс легко поддается механизации и автоматизации.
Литьем в оболочковые формы изготавливают ответствен-
ные детали, например ребристые цилиндры для мотоцик-
лов, коленчатые валы для автомобилей, гильзы, звездочки,
зубчатые колеса, детали компрессоров, тепловозов, судовых
двигателей из чугуна, нелегированных сталей, цветных и
специальных сплавов. Не рекомендуется изготавливать от-
ливки из сплавов с низким содержанием углерода, так как
поверхность отливки при литье в оболочковые формы науг-
лероживается. Можно получать отливки массой от несколь-
ких сот граммов до ста килограммов, если допускается не-
высокая размерная точность, то можно получать отливки
79
массой более ста килограммов. Максимально возможные
размеры отливок — 500-700 мм.
Наиболее рационально применение литья в оболочковые
формы при массовом и крупносерийном производствах. Ми-
нимальная серийность деталей, переводимых на литье в обо-
лочковые формы, обычно принимается не менее 200 отливок
в год. Качество поверхностей и точность размеров отливок
условно оцениваются по стандартам для механической обра-
ботки.
Данный способ литья обеспечивает параметр шерохова-
тости поверхности Яг = 160-5-20 мкм и точность размеров,
соответствующую 14-15-му квалитетам. Шероховатость по-
верхности крупных отливок (массой более 50 кг) грубее,
точность — ниже. Допускаемые отклонения размеров от-
ливок из стали можно брать по первому классу точности
по ГОСТ 2009-55, для чугуна по первому классу точности
по ГОСТ 1855-55. Допускаемые отклонения на размеры
отливок из цветных сплавов принимаются по нормалям
Н0.010.006 и НР0.010.082.
Оболочковая форма ко времени затвердевания отливки
легко разрушается, не препятствует усадке металла, поэто-
му в отливках возникают незначительные внутренние на-
пряжения и несколько повышаются механические свойства
по сравнению с отливками, изготовленными в песчано-гли-
нистых формах. Эффективность способа литья в оболочко-
вые формы по сравнению с литьем в песчано-глинистые
формы определяется следующими преимуществами [21]:
• значительно повышается экономия металла (до 30-50 %);
• отливки имеют чистую поверхность и повышенную точ-
ность размеров, что позволяет назначать припуски на меха-
ническую обработку примерно в два раза меньшие, чем при
литье в песчаные формы; среднее отклонение размеров от-
ливок в оболочковые формы составляет 0,3-0,7 мм на 100 мм
габаритного размера, для мелких отливок — до 0,2 мм;
• уменьшается расход формовочных материалов в 10-20 раз;
• оболочковые формы не гигроскопичны, имеют высокую
прочность, их можно хранить длительное время;
• применение оболочковых форм увеличивает выход год-
ного литья за счет снижения брака в 1,5-2 раза;
• при выбивке формы оболочка легко разрушается, что
уменьшает затраты труда на обрубку и очистку отливок
в среднем на 50 %.
Тем не менее способ литья в оболочковые формы не ли-
шен и недостатков. К ним относятся:
80
• утрата точности формы в разъеме при изготовлении тя-
желых и крупногабаритных отливок;
• работа с горячей модельной оснасткой вызывает необ-
ходимость использования только металлической модели;
• высокая стоимость оснастки, оборудования и материалов.
Все это приводит к тому, что стоимость отливок, получен-
ных литьем в оболочковые формы, несколько выше, чем от-
ливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы. Одна-
ко снижение объема механической обработки, операций
очистки и выбивки приводит к снижению себестоимости
готовых деталей. В табл. 2.4 приведен пример сравнитель-
ного расчета себестоимости 1 т отливок с учетом механи-
ческой обработки при литье в оболочковые и песчано-гли-
нистые формы в условиях массового производства (данные
ориентировочны).
Таблица 2.4
Изменение составляющих себестоимости отливок относительно затрат
на основные материалы при литье в песчаные и оболочковые формы
Статья расхода Литье в формы
песчано- глинистые оболочко- вые
Основные материалы 1,000
Стоимость, в том числе: 0,356 0,213
формовки 0,089 0,033
выбивки 0,018 0,004
приготовления смеси 0,024 0,004
очистки литья 0,089 0,036
прочие операции 0,136 0,136
Износ инструмента 0,067 0,053
Накладные расходы, в том числе: 1,022 1,622
расходы на формовочную смесь 0,133 0,733
расходы по браку 0,111 0,062
Себестоимость 1 т годного литья без механи- ческой обработки 2,444 2,889
Механическая обработка 1,111 0,667
Экономия металла 0,000 0,156
Себестоимость 1 т отливок с учетом механи- ческой обработки 3,556 3,400
81
Как видно из приведенных данных, при литье в оболоч-
ковые формы значительно снижаются расходы на техноло-
гические операции, так как примерно в четыре раза сокра-
щаются трудоемкость операции выбивки, а также обработ-
ка и зачистка отливок. Однако за счет высокой стоимости
пульвербакелита расходы на формовочную смесь увеличи-
ваются в шесть раз. Этим в основном и объясняется повы-
шение себестоимости литья в оболочковые формы. Тем не
менее за счет снижения припусков и объема механической
обработки происходит снижение общей себестоимости.
Литье по выплавляемым моделям — это прогрессивный
способ получения точных и сложных по форме отливок из
любых литейных сплавов, в связи с чем он получил широ-
кое распространение в машино-, приборостроении, в инст-
рументальном производстве, при изготовлении художествен-
ного литья и ювелирных изделий.
Литейная форма для этого способа литья представляет
собой неразъемную тонкостенную, прочную, негазотворную,
высокоогнеупорную с гладкой рабочей поверхностью обо-
лочку. Ее изготавливают из мелкозернистых формовочных
материалов по разовым (выплавляемым, растворимым или
выжигаемым) моделям. Технологический процесс получе-
ния отливок по выплавляемым моделям в сравнении с дру-
гими способами литья имеет некоторые особенности.
1. Модель отливки не имеет разъема и знаковых частей,
ее контуры полностью повторяют форму детали; служит для
изготовления только одной литейной формы, в процессе
изготовления которой модель уничтожается.
2. Керамическая оболочка толщиной 2-8 мм не имеет
поверхности разъема. Поверхность формы гладкая, с ма-
лой шероховатостью и требуемой точностью размеров.
3. Форма после прокаливания не содержит газотворных
составляющих, что исключает образование газовых рако-
вин в отливках.
4. Металл заливается в горячие формы, в результате чего
создаются благоприятные условия для заполнения формы
и питания отливки. Это позволяет получать тонкостенные
отливки массой несколько граммов.
Недостатки литья по выплавляемым моделям:
• повышенная температура заливки и применение пред-
варительно нагретых форм приводят к снижению механи-
ческих свойств и способствуют образованию более глубоко-
го обезуглероженного слоя на поверхности отливок;
82
• у отливок из титановых сплавов наблюдается повышен-
ная твердость поверхностного альфированного слоя толщи-
ной 0,2-2,0 мм;
• литье по выплавляемым моделям является наиболее дли-
тельным и трудоемким технологическим процессом среди
всех способов литья.
Экономичность способа определяется правильно выбран-
ной номенклатурой отливок. Данный способ наиболее рен-
табелен:
• при крупносерийном и массовом производствах мелких,
но сложных и ответственных деталей, с высокими требова-
ниями к точности размеров и чистоте поверхности;
• если требования по чистоте поверхности и точности раз-
меров литых деталей могут быть обеспечены в литом состо-
янии без последующей механической обработки или когда
требуется механическая обработка только сопрягаемых по-
верхностей;
• для деталей сложной конфигурации, которые нельзя
изготовить как одно целое никакими иными способами;
• при изготовлении отливок со сложными внутренними
очертаниями, когда достигается снижение себестоимости
отливки за счет экономии металла;
• для деталей, изготавливаемых из металлов и сплавов,
которые не поддаются обработке давлением, и сплавов с низ-
кими литейными свойствами.
Не рекомендуется применять литье по выплавляемым
моделям в случаях, если на детали указаны более жесткие
допуски, чем можно получить при литье, или когда требо-
вания, предъявляемые к детали, могут быть обеспечены
каким-либо иным, менее дорогостоящим способом.
Технико-экономическая эффективность технологического
процесса зависит в основном от масштаба производства, сте-
пени механизации производственного процесса, сложности
отливок, стоимости металла, используемого для их изготов-
ления. Чем больше масса отливки и чем больше число отли-
вок в серии, тем ниже их себестоимость. При повышении
серийности производства до первой группы осуществляют
скидку с оптовых цен в размере 3-16 %, а при снижении
серийности до третьей группы производят доплату в таком
же размере. Большие значения скидок и доплат относятся
к отливкам меньшей массы.
Так как литье по выплавляемым моделям является од-
ним из наиболее точных способов получения заготовок, то
чем сложнее конфигурация отливок, тем при меньшей се-
83
рийности их изготовления достигается экономический эф-
фект от применения данного технологического процесса.
Для изготовления отливок по выплавляемым моделям
могут применяться любые литейные сплавы — стали, чугу-
ны, цветные, жаропрочные и др. Этот способ позволяет по-
лучать отливки массой от нескольких граммов до 100 кг,
однако оптимальная масса отливок находится в пределах
0,2-12 кг. Точность размеров и параметры шероховатости
поверхности отливок колеблются в довольно больших пре-
делах и зависят от условий изготовления отливок, их мас-
сы, сложности, габаритных размеров и толщины стенок
отливок. В общем случае рассматриваемый способ получе-
ния отливок обеспечивает точность до 15-го квалитета и
параметр шероховатости поверхности Rz = 80 + 10 мкм.
При назначении предельных отклонений на размеры сталь-
ных отливок следует руководствоваться ОСТ 3-1182-72
(табл. 2.5).
В табл. 2.6 приведены допускаемые отклонения разме-
ров отливок обычной и повышенной точности, которая мо-
жет быть достигнута только при тщательной отработке тех-
нологического процесса. Преимущества данного способа
литья могут быть выявлены в полной мере только при ус-
ловии, если деталь технологична для изготовления ее лить-
ем по выплавляемым моделям. Особо необходимо учиты-
вать конструктивные требования при переводе на литье де-
талей, изготавливаемых ранее из поковок или проката.
Экономическую целесообразность изготовления деталей
литьем по выплавляемым моделям необходимо устанавли-
вать в каждом конкретном случае путем сравнения себесто-
имости детали, полученной этим способом, с себестоимос-
тью деталей, полученных механической обработкой, штам-
повкой или литьем иным способом.
Таблица 2.5
Рекомендуемые припуски на механическую обработку отливок из стали
и цветных сплавов
Материал Точность Припуск при протяженности обрабатываемой поверхности, мм
До 50 50-120 120-260 260-500
Сталь Нормальная 1,0 1,5 2,0 2,5
Повышенная 0,5 0,8 1,5 2,0
Цветные металлы Нормальная 1,5 1,5 2,0 2,0
Повышенная 0,5 0,5 0,7 1,0
84
Таблица 2.6
Допуски на размеры стальных отливок, изготавливаемых литьем
по выплавляемым моделям
Наиболь- ший габа- ритный размер, мм Допуск, мм, при номинальном размере, мм
ДоЗ Св. 3 до 6 Св. 6 до 10 Св. 10 до 18 Св. 18 до 30 Св. 30 до 50
О П О П О П О П О П О п
До 50 0,25 0,12 0,30 0,14 0,34 0,16 0,40 0,20 0 48 0,28 0,62 0,40
Св. 50 до 120 0,30 0,14 0,34 0,16 0,38 0,19 0,44 0,24 0,55 0,34 0,70 0,43
Св. 120 до 260 0,34 0,16 0,38 0,18 0,42 0,22 0,48 0,26 0,60 0,36 0,76 0,46
Св. 260 до 500 0,38 0,18 0,43 0,20 0,45 0,24 0,52 0,30 0,65 0,40 0,84 0,52
Наиболь- ший габа- ритный размер, мм Допуск, мм, при номинальном размере, мм
Св. 50 до 80 Св. 80 до 120 Св. 120 до 180 Св. 180 до 200 Св. 200 до 360 Св. 360 до 500
О П О П О П О П О П О П
Св. 50 до 120 1,00 0,62 1,30 0,87 —
Св. 120 до 260 1,00 0,68 1,50 1,00 2,00 1,35 2,80 1,90 3,50 2,50 — —
Св. 260 до 500 1,15 0,75 1,60 1,10 2,20 1,50 3,00 2,20 4,00 3,00 5,00 4,00
Примечание. Условные обозначения: О — обычная точность отливок; П —
повышенная точность.
Использование деталей, полученных литьем по выплав-
ляемым моделям, вместо штампованных позволяет снизить
расход металла на 55-75 %, трудоемкость механической
обработки — на 50-60 % и себестоимость деталей — на 20 % .
Наибольший технико-экономических эффект от приме-
нения литья по выплавляемым моделям может быть до-
стигнут при специализации его производства, когда при из-
готовлении пресс-форм для моделей могут быть использо-
ваны все преимущества стандартизации и унификации кон-
структивных элементов литейной оснастки.
В табл. 2.7 приведено изменение оптовых цен на отлив-
ки, получаемые литьем по выплавляемым моделям из низ-
коуглеродистой стали.
Литье в металлические формы (кокиль) является одним
из прогрессивных способов получения отливок из чугуна,
85
Таблица 2.7
Изменение оптовых цен на отливки,
получаемые литьем по выплавляемым моделям
Масса отливки, кг Группа сложности
1 2 3 4 5
До 0,025 1,00 1,07 1,14 1,26 1,38
Св. 0,025 до 0,040 0,84 0,91 0,97 1,07 1,18
Св. 0,040 до 0,063 0,71 0,77 0,84 0,92 1,01
Св. 0,063 до 0,10 0,61 0,66 0,72 0,79 0,86
Св. 0,10 до 0,16 0,52 0,56 0,61 0,68 0,75
Св. 0,16 до 0,25 0,45 0,48 0,53 0,59 0,65
Св. 0,25 до 0,40 0,39 0,42 0,46 0,51 0,57
Св. 0,40 до 0,63 0,36 0,38 0,42 0,47 0,52
Св. 0,63 до 1,00 0,30 0,33 0,36 0,41 0,46
Св. 1,00 до 1,60 0,26 0,29 0,32 0,36 0,40
Св. 1,60 до 2,50 0,23 0,25 0,28 0,32 0,36
Св. 4,00 до 6,30 0,19 0,20 0,23 0,26 0,29
Св. 10 0,16 0,17 0,19 0,22 0,24
стали и цветных сплавов массой от нескольких граммов до
десятков тонн (рис. 2.3).
Сущность процесса заключается в многократном приме-
нении металлической формы, имеющей гораздо более высо-
кую стойкость, чем обычная песчано-глинистая. Полости
в отливке выполняют при помощи металлических или пес-
чаных стержней, которые
Рис. 2.3. Кокильная отливка (головка
цилиндра) из алюминиевого сплава
извлекают из отливки по-
сле ее затвердевания и
охлаждения до заданной
температуры. Экономиче-
ская целесообразность ли-
тья в металлические фор-
мы во многом зависит от
стойкости форм, их долго-
вечности и стоимости.
Стойкость кокилей, за-
висящая от ряда техноло-
гических факторов, таких
как температура заливки
86
металла, материал кокиля, размеры, масса и конфигурация
отливки, является наиболее важным фактором при опреде-
лении рентабельности применения данного способа литья.
В табл. 2.8 представлена ориентировочная стойкость ме-
таллических форм при получении отливок из различных
литейных сплавов.
В массовом производстве, обеспечивающем длительную
и равномерную эксплуатацию кокилей, а также более вы-
сокий уровень технологичности конструкций деталей, стой-
кость кокилей может быть более высокой, что значительно
снижает удельные затраты на возмещение износа литейной
оснастки. Поэтому литье в кокиль экономически целесооб-
разно применять в условиях крупносерийного или массово-
го производства относительно простых отливок из цветных
и черных сплавов.
Наибольшее распространение для литья в кокиль полу-
чили цветные сплавы, имеющие более низкую температуру
плавления, а следовательно, более высокую стойкость форм.
Таблица 2.8
Ориентировочная стойкость металлических форм
Материал отливки Размеры отливки Материал формы Стойкость формы (количество отливок)
Сталь Мелкие Чугун 400-600
Средние 100-300
Крупные 50-100
Очень крупные 10-50
Серый чугун Мелкие 1000-8000
Средние 1000-3000
Крупные 200-1000
Крупные Медные сплавы 3000-10 000
Средние 3000-800
Медные сплавы Мелкие Чугун 1000-10 000
Средние 1000-8000
Мелкие Сталь 500-1500
Средние 500-300
Алюминиевые, магниевые, цин- новые сплавы Мелкие Чугун Сотни тысяч
Средние Десятки тысяч
Крупные Несколько тысяч
87
Как показывает практика, серийность при литье в кокиль
должна составлять более 20 крупногабаритных отливок или
более 400 мелких чугунных отливок в год, а при литье де-
талей из алюминиевых сплавов — 400-700 отливок в год.
Однако если конфигурация отливки из алюминиевого сплава
позволяет изготавливать ее литьем под давлением, то при
увеличении серийности литье в металлические формы ме-
нее выгодно.
При оценке возможности изготовления отливок в метал-
лических формах необходимо учитывать особенности фор-
мирования отливок.
1. Интенсивность теплообмена между отливкой и коки-
лем в 3-10 раз выше, чем при литье в песчано-глинистые
формы. В связи с этим металл отливок имеет более мелко-
зернистую структуру, что существенно повышает их меха-
нические свойства. В то же время высокая скорость охлаж-
дения может привести к неравномерности по сечению стен-
ки отливки свойств, а в чугунных отливках — к отбелу;
2. Быстрое охлаждение заливаемого металла стенками ко-
киля снижает жидкотекучесть расплава, поэтому толщина
стенок отливок при кокильном литье больше, чем при литье
в песчано-глинистые формы. Минимальная толщина стенок
отливок из алюминиевых и магниевых сплавов 3-4 мм, чу-
гуна — 6 мм, стали — 8-10 мм. Снижение жидкотекучести
затрудняет получение сложных тонкостенных крупногаба-
ритных отливок. Это ограничивает применение для кокиль-
ного литья сплавов с пониженной жидкотекучестью.
В металлических формах целесообразно изготавливать
следующие отливки:
• массивные, необрабатываемые, а также отливки с по-
вышенными требованиями к герметичности;
• чугунные с отбеленной поверхностью, повышенными
герметичностью и плотностью, простой конфигурацией;
• из высокопрочного чугуна с толщиной стенок не менее
8-10 мм, особенно те, которые могут заменить поковки;
• стальные простой конфигурации со стенками толщи-
ной более 8-10 мм;
• алюминиевые со стенками толщиной более 2,5 мм;
• из кремнистой латуни со стенками толщиной более
3,5-6,5 мм и размерами 600 х 700 мм.
Высокая прочность материала металлической формы по-
зволяет выполнять рабочие полости формы с более точны-
ми, стабильными размерами и получать отливки с точнос-
тью до 15-го квалитета.
88
Минимальное физико-химическое взаимодействие мате-
риала отливки и формы способствует повышению качества
поверхности отливки и полностью устраняет пригар. Пара-
метр шероховатости отливки Rz = 80 + 20 мкм.
По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы ли-
тье в металлические формы обладает рядом технических и
технологических преимуществ:
• многократное использование форм;
• повышение точности размеров отливок, уменьшение ше-
роховатости поверхности, что позволяет снизить припуск на
механическую обработку в два-три раза, а иногда и полнос-
тью ее устранить; увеличение выхода годного до 75-95 %;
• повышение плотности отливок, улучшение структуры
отливок и повышение их механических свойств на 15-30 %;
• сокращение, а в некоторых случаях полное исключе-
ние формовочных материалов и стержневых смесей;
• исключение трудоемких операций формовки, сборки и
выбивки форм;
• наличие возможности комплексной механизации и ав-
томатизации технологического процесса, что приводит к ро-
сту производительности труда и снижению трудоемкости
почти в три раза;
• увеличение съема с 1 кв. м производственной площади
и снижение себестоимости отливок.
Вместе с тем изготовление отливок в металлические фор-
мы имеет и свои сложности:
• трудность получения отливок с поднутрениями, для вы-
полнения которых необходимо применять стержни и вставки;
• снижение жидкотекучести сплавов, усложняющее по-
лучение тонкостенных, большой протяженности отливок;
• неподатливая, газонепроницаемая форма вызывает по-
явление в отливках литейных дефектов (коробления, тре-
щин, газовой пористости);
• высокая стоимость литейных форм, сложность и дли-
тельность их изготовления.
Для обеспечения требуемого качества деталей, уменьше-
ния износа и повреждения кокилей, создания лучших ус-
ловий для заполнения формы и извлечения из нее отливок
конструкция деталей, отливаемых в металлические формы,
должна удовлетворять ряду специфических для этого вида
литья требований.
Литье в металлические формы имеет более высокие тех-
нико-экономические показатели по сравнению с литьем в пес-
чано-глинистые формы при одинаковом уровне механизации.
89
Средние затраты на кокили составляют около 3 % стоимос-
ти литья. Основная статья экономии при кокильном литье
заключается в снижении расходов на формовочные материа-
лы и изготовление форм, что видно из данных, приведенных
в табл. 2.9.
Литье под давлением по технологическим и экономичес-
ким показателям занимает ведущее место среди способов
получения отливок, так как при наибольшем приближении
формы и размеров отливки к готовой детали, высокой точно-
сти и чистоте поверхности этот способ обеспечивает и наибо-
лее высокий уровень производительности труда, возможность
полной автоматизации технологического процесса.
Литьем под давлением изготавливают сложные тонкостен-
ные отливки из легкоплавких цветных сплавов на основе алю-
миния, магния, цинка, меди. Масса полученных отливок на-
ходится в пределах от нескольких граммов до десятков кило-
граммов, характер производства, как правило, массовый или
крупносерийный. Наибольшей эффективности достигают при
получении отливок массой 0,15-0,20 кг, ранее изготавливае-
мых из проката с применением большого объема фрезерных
работ. Применение черных металлов (стали и чугуна) для ли-
тья под давлением ограничено, так как при этом наблюдается
очень низкая стойкость литейных форм.
Таблица 2.9
Соотношения относительных затрат при изготовлении 1 т чугунных отливок
Статья расхода Приведенная средняя стоимость работ при изготовлении отливок литьем
п К п К п К п К
Среднепри- веденная отливка Зубчатое колесо Опорная плита Шкив
Приготовление формо- вочных смесей 0,164 0,000 0,157 0,000 0,181 0,000 0,175 0,000
Приготовление стерж- невых смесей 0,024 0,143 0,039 0,273 0,000 0,026 0,041 0,287
Изготовление стерж- ней 0,116 0,206 0,029 0,156 0,000 0,038 0,031 0,181
Формовка 0,473 0,000 0,563 0,000 0,266 0,000 0,645 0,000
Сборка и заливка 0,223 0,426 0,231 0,569 0,234 0,335 0,241 0,490
Итого 1,000 0,776 1,018 0,999 0,681 0,398 1,132 0,958
Примечание. Условные обозначения: п — литье в песчано-глинистые
формы; к — литье в кокиль.
90
Пресс-формы для литья под давлени- ем представляют со- Таблица 2.10 Средняя точность отливок, получаемых литьем под давлением
бой сложный и точ- ный инструмент. Для обеспечения необхо- димой точности раз- меров отливки раз- меры рабочих поверх- ностей пресс-формы Сплавы Квалитет при номинальных размерах отливки, мм
До 30 Св. 30 до 120
Цинковые 12-14 12-15
Алюминиевые Магниевые 14-15
выполняют по 8-му
квалитету, а посадочные размеры сопрягаемых частей
по 8-6-му квалитетам с параметром шероховатости поверх-
ности Rz = 3,2 -г- 0,8 мкм.
При переводе деталей на литье под давлением необходи-
мо учитывать особенности формирования отливок при дан-
ном способе литья. Сочетание двух особенностей процесса
(металлической формы и давления на жидкий металл в пе-
риод его заливки в форму) позволяет получать плотные от-
ливки с высокими механическими свойствами, с высокой
точностью размеров и малой шероховатостью поверхности.
Практикой установлено, что точность изготовления дета-
лей литьем под давлением соответствует в основном 12-му
квалитету, однако тщательной доводкой форм можно до-
биться увеличения точности размеров до 11-го и даже 10-го
квалитетов. С увеличением размеров отливки точность раз-
меров последней падает (табл. 2.10).
У отливок, получаемых литьем под давлением, параметр
шероховатости поверхности Rz = 40 + 20 мкм, однако на ше-
роховатость поверхности большое влияние оказывает состо-
яние поверхности пресс-форм (табл. 2.11).
Как правило, детали, полученные литьем под давлени-
ем, не подвергают механической обработке, за исключени-
ем посадочных мест.
Прочность отливок при литье под давлением на 15-20 %
превышает прочность отливок из того же сплава, изготов-
ленных литьем в песчано-глинистые формы. Пластические
свойства отливок несколько снижаются, так как в процессе
заполнения формы металлом воздух, находящийся в фор-
ме, и газы, образующиеся от сгорания смазочного материа-
ла, создают газовоздушную пористость в добавление к тому
количеству газов, которое находится в металле в растворен-
ном состоянии. Газовоздушная пористость уменьшает плот-
ность и герметичность отливок.
91
Таблица 2.11 Параметр шероховатости поверхности отливок в зависимости от степени износа пресс-форм Литьем под давле- нием получают отлив- ки различного назна- чения: детали прибо-
Число дета- лей, отлитых Параметр шероховатости для сплавов Rz, мкм, ров, корпуса, платы, панели, шестерни,
в одну форму, тыс. шт. цинковых алюминиевых и магниевых медных детали автомобилей, тракторов, самолетов,
0,2 6,3-3,2 10-3,2 двигателей внутренне-
0,5 20-6,3 го сгорания, электри- ческих машин, буро- вых установок и т. п.
1,0 6,3-3,2 10-3,2 40-10
2,0 80-10 Основные преиму-
5,0 20-6,3 — щества литья под дав- лением по сравнению с литьем в песчано-
10,0 10-3,2 — —
20,0 20-6,3 40-10 — глинистые формы еле-
50,0 40-10 80-20 — дующие: • многократное ис- пользование литей-
8,0 80-20 — —
ных форм; • полное исключение формовочных и стержневых смесей;
• высокая точность размеров и чистота поверхности, прак-
тически не требующие механической обработки;
• возможность получения отливок с малой толщиной сте-
нок (менее 1 мм) большой протяженности;
• полное исключение трудоемких операций формовки,
сборки и. выбивки форм;
• возможность комплексной автоматизации производ-
ственного процесса.
К недостаткам способа литья под давлением относятся:
• высокая стоимость пресс-форм, сложность и длитель-
ность их изготовления;
• невысокая стойкость пресс-форм, особенно при литье
сплавов с высокой температурой плавления (сталь, чугун,
медные сплавы).
Поэтому необходимо оценивать экономичность применения
этого способа с учетом стойкости пресс-форм (табл. 2.12), труд-
ности выполнения отливок со сложными полостями и поднут-
риями, неподатливости металлической формы, способствую-
щей появлению напряжений в отливках при охлаждении, что
также ограничивает номенклатуру применяемых сплавов.
В связи с этим при выборе литья под давлением необхо-
димо учитывать технологические свойства материала дета-
92
ли. Сплавы для литья под
давлением должны обладать
следующими свойствами:
• узким интервалом кри-
сталлизации, необходимым
для получения отливок с рав-
номерной плотностью;
• достаточными прочнос-
тью и пластичностью при вы-
соких температурах во избе-
жание разрушения отливки
при ее извлечении из формы;
• высокой жидкотекучестью;
Таблица 2.12
Ориентировочная стойкость пресс-
форм при литье под давлением
Сплавы Темпера- тура плав- ления, °C Число за- прессовок, тыс. шт.
Цинковые 420 300-500
Магниевые 650 80-100
Алюминие- вые 660 30-50
Медные 1083 5-20
• малой степенью привариваемости к материалу формы;
• стабильностью химического состава при длительной вы-
держке в раздаточных печах.
Для литья под давлением используют и черные металлы.
Чугуны применяются редко, так как в отливках часто воз-
никают горячие трещины, а поверхность отливок подверга-
ется отбелу. Для получения тонкостенных отливок исполь-
зуют стали марок 20Л, 10Х18Н9ТЛ, 20Х13Л. Пресс-формы
в этом случае изготавливают из спеченных сплавов на осно-
ве молибдена и вольфрама.
Литьем под давлением можно получать небольшие ци-
линдрические зубчатые колеса диаметром 12-15 мм, ши-
риной 1,5-20 мм с модулем 0,5 и более. Литейный уклон
на зубьях может быть очень невелик или вовсе отсутство-
вать. Могут быть изготовлены также конические зубчатые
колеса.
Для изготовления зубчатых колес применяют цинковые,
алюминиевые, магниевые, а иногда и оловянисто-свинцо-
вые сплавы.
Отливки зубчатых колес, как правило, не подвергаются
механической обработке, которая в большинстве случаев
ограничивается удалением незначительного облоя. Мелко-
зернистый поверхностный слой и окисная пленка способ-
ствуют повышению износостойкости зубьев. Так, прочность
и износостойкость зубчатых колес из медных сплавов при-
мерно равны прочности и износостойкости зубчатых колес,
изготовленных из углеродистой стали.
Эффективность применения способа литья под давлени-
ем можно оценить путем сравнения оптовых цен на отлив-
ки, которые зависят от группы сложности и массы отлив-
ки, а также от типа производства (табл. 2.13).
93
Таблица 2.13
Относительное изменение оптовых цен на отливки из цветных сплавов,
изготавливаемых литьем под давлением
Масса отливки, кг Марки сплавов
АЛ2, АЛ4, АЛ9 ЛЦ16 4, ЛЦ40С ЦАМ4-1, ЦАМ9-1, ЦАМ-3
Группы сложности
1 2 3 1 2 3 1 2 3
До 0,063 1,00 1,09 1,15 1,00 1,12 1,21 1,00 1,09 1,17
Св. 0,063 до 0,10 0,97 1,04 1,09 0,95 1,06 1,13 0,96 1,04 1,10
Св. 0,10 до 0,16 0,94 1,00 1,05 0,93 0,10 1,10 0,95 1,02 1,08
Св. 0,16 до 0,25 0,92 0,97 1,01 0,90 0,97 1,04 0,92 0,98 1,03
Св. 0,25 до 0,40 0,90 0,94 0,97 0,87 0,95 1,00 0,91 0,96 1,00
Св. 0,40 до 0,63 0,87 0,92 0,95 0,85 0,91 0,96 0,88 0,92 0,96
Св. 0,63 до 1,00 0,86 0,90 0,92 0,83 0,88 0,92 0,87 0,91 0,94
Св. 1,00 до 1,60 0,85 0,87 0,90 0,82 0,87 0,90 0,86 0,89 0,92
Св. 1,60 до 2,50 0,84 0,86 0,88 0,80 0,84 0,87 0,84 0,85 0,90
Св. 6,30 до 10,0 0,82 0,83 0,84 0,77 0,80 0,83 0,82 0,85 0,87
Св. 10,0 0,81 0,83 0,83 — — — — — —
Центробежное литье — это способ изготовления отли-
вок, при котором заливаемый в форму металл подвергается
действию центробежных сил, возникающих в жидком ме-
талле при заливке во вращающуюся форму или, в отдель-
ных случаях, в результате вращения уже заполненной ме-
таллом формы. Центробежное литье является типичным
видом литья, при котором используются формы как разо-
вые, так и постоянные. Это дает возможность комбиниро-
вать центробежное литье с другими видами литья, напри-
мер с литьем по выплавляемым моделям.
Наибольший технико-экономический эффект дает при-
менение центробежного литья при крупносерийном и мас-
совом производствах отливок типа тел вращения. К числу
таких изделий относятся трубы (различного назначения) из
чугуна, стали, цветных металлов, жаростойких, коррози-
онно-стойких и твердых сплавов, втулки, цилиндрические
гильзы, тракторные и автомобильные детали, кольца под-
шипников скольжения, железнодорожные и трамвайные
бандажи и т. п. Большое распространение получил способ
центробежного литья биметаллических изделий. Наиболь-
94
ших масштабов достигло применение центробежного литья
в производстве чугунных труб.
Центробежное литье фасонных деталей следует приме-
нять только в тех случаях, когда обычным литьем в непо-
движные формы эти изделия либо невозможно получить, либо
получают с низкими технико-экономическими показателя-
ми. Особенно это эффективно при изготовлении отливок:
• тонкостенных деталей с извилистыми очертаниями, тон-
ким и острым рельефом, малыми радиусами закруглений;
• требующих улучшенного питания из прибыльной час-
ти, больших плотности и чистоты металла;
• из сплавов с пониженной жидкотекучестью.
Для литья из титановых сплавов это пока единственный
способ получения качественных отливок.
При центробежном литье массу и габаритные размеры
отливок устанавливают в зависимости от конструкции
машин. Качество поверхности отливок и точность их из-
готовления определяют видом применяемой формы: посто-
янной металлической или разовой. Материал металличе-
ских форм — чугун или сталь. Разовые формы бывают пес-
чано-глинистые (сырые или сухие), керамические или со-
бранные из стержней.
Условия затвердевания центробежных отливок во мно-
гом отличаются от условий затвердевания в стационарных
формах. Поэтому необходимо знать особенности формиро-
вания отливок при центробежном литье и учитывать эти
особенности при выборе данного способа литья.
В процессе затвердевания при центробежном литье про-
исходит утяжеление частиц сплава (за счет центробежных
сил), что является самой характерной особенностью данно-
го способа. При этом значительно улучшаются условия пи-
тания отливок, обеспечивающие получение плотных без пор
изделий. Однако химическая неоднородность (ликвация)
у центробежных отливок выражена значительно более рез-
ко, чем у отливок, получаемых в статических условиях.
К основным преимуществам этого способа литья можно
отнести:
• высокую плотность отливок вследствие малого количе-
ства межкристаллических пустот усадочного и газового
происхождения; в ряде случаев центробежные отливки по
своим свойствам оказываются на уровне поковок, а по эко-
номии металла и снижению трудозатрат превосходят их;
• меньший расход металла из-за отсутствия литниковой
системы или снижения массы литников;
95
• исключение затрат на изготовление стержней для по-
лучения полостей в цилиндрических отливках;
• улучшение заполняемости формы металлом;
• получение отливок из сплавов, обладающих низкой жид-
котекучестью;
• возможность получения двух- и многослойных, а так-
же армированных изделий.
Центробежному способу литья свойственны и недостатки:
• трудность получения качественных отливок из ликви-
рующих сплавов;
• неточность диаметра полости отливок со свободной по-
верхностью;
• загрязнение свободной поверхности отливок ликвида-
ми и неметаллическими включениями, у толстостенных от-
ливок эта поверхность может иметь пористость, что вынуж-
дает увеличивать припуск на механическую обработку сво-
бодных поверхностей на 25 %;
• необходимость применения специальных машин;
• высокая стоимость литейных форм — они должны иметь
высокие прочность и герметичность ввиду повышенного дав-
ления металла.
Недостатки и особенности литья под давлением послу-
жили предпосылкой к разработке нового технологического
процесса, являющегося разновидностью литья под давле-
нием, — штамповки жидкого металла.
Сущность метода заключается в том, что жидкий металл
подают непосредственно в металлическую форму и под дав-
лением прессующего пуансона происходит уплотнение за-
литого металла [52]. Сопряжение пуансона и матрицы об-
разует закрытую фасонную полость. Наружные контуры
отливки получают разъемной формой, если деталь имеет
наружные выступы, или неразъемной формой при отсут-
ствии выступов. Внутренние полости образуются внедрени-
ем пуансона в жидкий металл.
Технологический процесс штамповки заготовок из жид-
кого металла объединяет в себе процессы литья, горячей
объемной штамповки и выдавливания (рис. 2.4).
В отечественной практике и за рубежом накоплен боль-
шой опыт по жидкой штамповке заготовок различных мас-
сы и сложности из цветных литейных и деформируемых
сплавов на основе алюминия, меди и магния. Применение
черных металлов при получении заготовок штамповкой жид-
кого металла ограничено, так как это значительно снижает
стойкость форм.
96
Рис. 2.4. Форма для получения фасонных отливок ме-
тодом выдавливания жидкого металла вниз:
1 — стержень, перекрывающий литниковое отверстие; 2 —
подвижная половина формы; 3 — жидкий металл; 4 — напол-
нительный стакан; 5 — пуансон; 6 — неподвижная половина
формы; 7 — втулка; 8 — стержень; 9 — кольцевой коллек-
тор; 10 — отлитая деталь
Использование давления при формообразовании обеспе-
чивает возможность получения острых и четких граней,
высокой чистоты поверхности, плотности металла и повы-
шенных механических свойств. При штамповке из жидко-
го металла устраняется основной недостаток литья под дав-
лением — газовые и усадочные раковины.
Кристаллизация отливок происходит в условиях напря-
женного состояния всестороннего сжатия — схемы, при ко-
торой значительно повышается пластичность материалов,
что позволяет обрабатывать хрупкие материалы, например
оловянные бронзы. Основное оборудование для штамповки
из жидкого металла — фрикционные или гидравлические
прессы. Конструкция форм аналогична закрытым штампам
для горячей объемной штамповки, материал форм — теп-
лостойкие стали типа ХВГ, ЗХВ8.
Штамповку из жидкого металла применяют при серий-
ном и крупносерийном производствах; в некоторых случа-
ях процесс рентабелен при сериях в 50-100 деталей. Этот
способ позволяет получать весьма сложные тонкостенные
детали, имеющие фасонную образующую снаружи и внут-
ри, детали с центральной полостью глубиной 0,4-1,0 диа-
метра детали, сплошные и толстостенные заготовки типа
фланцев, тройников, корпусов и т. п. Заготовки из цветных
97
сплавов могут быть получены массой до 300 кг, из черных
металлов несколько меньше.
По механическим свойствам заготовки не уступают ко-
ваным или штампованным, структура мелкозернистая,
полностью отсутствуют литейные дефекты. Высокая плот-
ность металла заготовок дает основание изготавливать из
них детали, работающие под гидравлическим давлением
до 29,4 МПа. Точность заготовок по 11-14-му квалитетам,
параметр шероховатости поверхности Rz = 2,5 + 1,25 мкм.
Коэффициент использования металла достигает 0,9-0,93,
выход годного — 0,9 и более.
Возможность запрессовки в металл различной металли-
ческой и неметаллической арматуры является также пре-
имуществом, расширяющим область применения штампов-
ки жидкого металла. К недостаткам процесса можно отнес-
ти низкий срок службы форм, а также сложность точной
дозировки жидкого металла.
Штамповку из жидкого металла осуществляют в двух
вариантах: с кристаллизацией под поршневым давлением
и выдавливанием жидкого металла.
Литье с кристаллизацией под поршневым давлением на-
шло применение при изготовлении уплотненных сплошных
заготовок или компактных толстостенных фасонных заго-
товок с толщиной стенок от 7 мм и выше, а также биметал-
лических деталей арматуры. Залитый в металлическую
форму жидкий металл подвергают давлению со стороны
пуансона для уплотнения. Пуансон перекрывает матрицу и
воздействует на металл, избыток которого вытекает через
систему выпоров, прорезанных в вершине матрицы. Металл
подвергают давлению в течение всего времени, необходимо-
го для затвердевания отливки.
При данном технологическом процессе наблюдается сле-
дующее:
• практически полностью устраняются усадочные рако-
вины и усадочная пористость, поэтому отпадает необходи-
мость применения прибылей;
• внешнее давление на металл заставляет газы, находя-
щиеся в жидком металле, оставаться в растворе, благо-
даря чему отсутствуют газовые раковины и пористость, уст-
раняется ликвация составляющих сплава, различных по
плотности;
• увеличивается скорость затвердевания отливок, что спо-
собствует измельчению структуры, повышению механиче-
ских свойств отливок.
98
Штамповку выдавливанием жидкого металла применя-
ют для получения фасонных деталей с полостями толщи-
ной стенок 2-100 мм. Наиболее целесообразно выдавлива-
нием изготавливать детали с центральными отверстиями
диаметром до 90 мм и толщиной стенок до 7 мм.
Залитый в матрицу жидкий металл под давлением пуан-
сона, поперечное сечение которого меньше поперечного се-
чения матрицы, устремляется вверх, заполняя полость фор-
мы, образованную внутренней поверхностью матрицы и
наружной поверхностью пуансона. После окончания фор-
мообразования давление прессующего пуансона передают
на верхние торцы заготовки и на ее внутреннюю поверх-
ность для уплотнения в процессе затвердевания. Выдержку
металла под давлением продолжают до полного затвердева-
ния заготовки, что обеспечивает получение четких граней
и высокой точности заготовок.
Формообразование выдавливанием осуществляется од-
новременно с кристаллизацией металла под давлением, и
в зависимости от приложенного давления и конфигурации
детали сопровождается также пластическим деформирова-
нием. Это позволяет получать детали более сложной фор-
мы, чем при обработке давлением.
Способом выдавливания жидкого металла можно полу-
чать сложные заготовки с различными фасонными прили-
вами на наружной поверхности, значительно выходящими
за пределы основных габаритных размеров детали. В заго-
товках могут быть получены отверстия, расположенные не
только в направлении движения пуансона, но и в перпен-
дикулярном направлении. Однако получение сквозных от-
верстий этим способом формообразования весьма затрудни-
тельно из-за значительного усложнения оснастки.
При необходимости последующей механической обработ-
ки на деталь назначают припуски, значения которых зави-
сят от типа сплава и габаритных размеров детали (табл. 2.14).
Штамповка из жидкого металла занимает промежуточ-
ное положение между литьем и обработкой давлением. По-
этому при выборе этого способа формообразования заготов-
ки необходимо учитывать его преимущества по сравнению
с литьем и горячей объемной штамповкой.
Преимущества перед литьем под давлением:
• более высокое Давление, действующее на металл заго-
товки во время ее кристаллизации, уплотняет металл, уст-
раняет литейные пороки (газовые и усадочные раковины),
присущие литью под давлением;
99
Таблица 2.14
Припуски на механическую обработку заготовок,
получаемых штамповкой жидкого металла
Размер заготовки Припуск на сторону, мм
Алюминиевые и цинковые сплавы Медные сплавы
Наружный диаметр 0,8-1,0 0,5-1,0
Внутренний диаметр 0,5 0,8-1,0
Высота 0,6-1,0 1,0-1,2
Буртик заготовок ти- па втулок 0,0-0,4 0,0-0,5
• отпадает необходимость в литниковой системе, так как
металл вводят непосредственно в рабочую полость формы;
• увеличивается скорость кристаллизации, в результате
чего структура металла получается более равномерной, мел-
козернистой;
• значительно повышаются механические свойства заго-
товок;
• более высокая стойкость форм, чем при литье под дав-
лением;
• способ более универсален: позволяет получать заготов-
ки как тонкостенные, так и толстостенные из всех стандар-
тных литейных сплавов;
• питание отливок за счет уплотнения металла полнос-
тью ликвидирует необходимость установки прибылей.
Преимущества перед горячей объемной штамповкой:
• возможность изготовления заготовок как из деформируе-
мых, так и из литейных, малопластичных и хрупких сплавов;
• незначительные затраты на формообразование (пример-
но в шесть—восемь раз меньше);
• возможность выполнения глубоких полостей, тонких
сечений, сложных приливов с большими линейными раз-
мерами и малой толщиной;
• возможность получения ответственных деталей при не-
значительной или же полностью исключенной механиче-
ской обработке;
• более высокая точность заготовки, обусловленная мень-
шим износом инструмента;
• значительное сокращение цикла изготовления заготов-
ки, так как отсутствует необходимость получения исход-
ных заготовок в виде слитка или прутка;
100
Таблица 2.15
Технико-экономические показатели изготовления
заготовки для детали «подпятник»
Параметр Горячая штамповка Выдавливание из жидкого металла
Масса детали, кг 3,4 3,4
Масса заготовки, кг 9,8 4,1
Масса штамповки, кг 8,0 4,0
Отход в стружку, кг 4,6 0,6
Расход жидкой стали с учетом изготовления проката, кг 18,0 4,1
*и.м 0,188 0,83
*в.т 0,42 0,86
Примечание. Ким — коэффициент использования метал- ла; Кв_г — коэффициент весовой точности.
• снижение расхода материалов и трудоемкости изготовле-
ния деталей из заготовок, полученных жидкой штамповкой.
В табл. 2.15 приведены данные по технико-экономиче-
ским показателям при переводе с горячей объемной штам-
повки на штамповку из жидкого металла детали «подпят-
ник», а в табл. 2.16 — о расходе жидкого металла при изго-
товлении деталей типа втулок различными способами.
Как видно из таблицы, расход жидкого металла при
жидкой штамповке является минимальным.
Таблица 2.16
Расход жидкого металла при получении втулок
Технологический процесс Масса заготовки, кг Расход металла, кг *в.т
Ковка 0,366 0,49 0,746
Центробежное литье 0,320 0,43 0,744
Горячая объемная штамповка в закрытых штампах 0,176 0,206 0,860
Штамповка из жидкого ме- талла 0,130 0,136 0,960
101
2.3. Способы получения заготовок
обработкой давлением
В металлообрабатывающей промышленности обработка
металлов давлением является одним из основных способов
формообразования деталей машин различного назначения.
Примерно 90 % стали и более 55 % цветных сплавов под-
вергаются обработке давлением.
Все процессы обработки металлов давлением основаны
на способности металлических материалов в твердом состо-
янии устойчиво изменять форму и размеры под действием
приложенных внешних сил, т. е. пластически деформиро-
ваться. Обработка металлов давлением существенно отли-
чается от других видов обработки, так как в процессе плас-
тической деформации металл не только приобретает требу-
емую форму, но и меняет свою структуру (форму и размеры
зерен, характер распределения неметаллических включе-
ний, возникновение направленности макроструктуры) и
физико-механические свойства.
Несмотря на большое многообразие процессов обработки
давлением, их можно объединить в две основные группы —
процессы металлургического и машиностроительного про-
изводства.
К первой группе относятся: прокатка, прессование и во-
лочение, т. е. процессы, в основе которых лежит принцип
непрерывности технологического процесса. Продукцию ме-
таллургического производства (листы, полосы, ленты, пе-
риодический и профильный прокат, трубы, профили, про-
волоку и т. п.) используют как заготовку в кузнечно-штам-
повочных и механических цехах и как готовую продукцию
для создания различного рода конструкций.
Во вторую группу входят такие процессы, как ковка,
объемная штамповка (горячая и холодная), листовая штам-
повка и специальные виды обработки давлением (калибров-
ка, раскатка кольцевых деталей, редуцирование, обкатка,
раздача и т. д.). Эти процессы обеспечивают получение за-
готовок изделий (деталей) и готовых деталей, не требую-
щих последующей механической обработки.
Возможность использования высоких, сверхвысоких ско-
ростей деформирования, небольшое число необходимых,
относительно несложных технологических операций обус-
ловливают кратковременность технологического процесса,
высокую производительность и сравнительно низкую себе-
стоимость получаемой продукции.
102
Кованые и штампованные заготовки (поковки) отлича-
ются высокими механическими свойствами, что обеспечи-
вает высокую надежность и долговечность выпускаемой
продукции, поэтому наиболее ответственные, тяжелонагру-
женные детали машин изготавливают из заготовок, полу-
ченных ковкой или штамповкой.
Как указывалось ранее, все процессы обработки метал-
лов давлением основаны на возможности материалов плас-
тически деформироваться. Поэтому обработке давлением
могут подвергаться, как правило, те металлы и сплавы,
которые обладают необходимым запасом пластичности, обес-
печивающим деформирование без нарушения сплошности
материала, т. е. без его разрушения.
Пластичность не является неизменным, наперед задан-
ным свойством материала — на нее оказывает влияние ряд
факторов: химический состав материала, температура и
скорость деформации, форма очага деформации и т. п. Со-
здавая соответствующие условия деформирования, можно
получить требуемую технологическую пластичность.
В зависимости от температуры и скорости деформации
различают холодную и горячую деформации.
Холодная деформация происходит при таких темпера-
турно-скоростных условиях, когда в материале протекает
только один процесс — упрочнение (или наклеп) металла.
В этом случае образуется волокнистая структура, резко по-
вышается прочность и снижается пластичность материала.
При холодной деформации может возникнуть преимуще-
ственная ориентация кристаллографических осей зерен, об-
разуется так называемая текстура, что является причиной
повышения анизотропии механических свойств материала.
Различают два вида анизотропии:
• начальную (или исходную), существующую до дефор-
мирования и объясняющуюся анизотропией свойств моно-
кристаллических материалов; поликристаллические мате-
риалы (к ним относится большинство металлов, подвергае-
мых обработке давлением) могут быть квазиизотропными
вследствие большого числа монокристаллических, хаотич-
но расположенных зерен;
• вторичную (или деформационную), т. е. изменяющую-
ся или заново возникающую в процессе деформации.
Анизотропия, возникающая в процессе деформации, мо-
жет оказывать как полезное, так и вредное влияние на свой-
ства материала. Анизотропия механических свойств листо-
вых материалов способствует образованию «фестонов» при
103
получении деталей глубокой вытяжкой, хрупкому разруше-
нию рекристаллизованного тугоплавкого листового металла
и другим видам дефектов. Однако механическая анизотро-
пия может противодействовать хрупкому разрушению кон-
струкций; направленность магнитных свойств материалов для
трансформаторных сердечников, возникающая в результате
прокатки трансформаторной стали, а также зависимости
штампуемости листового материала от текстурного упрочне-
ния свидетельствуют о полезном влиянии анизотропии.
Горячая деформация осуществляется при таких темпе-
ратурно-скоростных условиях обработки, когда в материа-
ле протекают одновременно два процесса: наклеп и рекрис-
таллизация (упрочнение и разупрочнение), причем скорость
разупрочнения равна или выше скорости упрочнения.
При горячей деформации улучшаются все механические
свойства материала: и прочностные, и пластические, осо-
бенно повышается ударная вязкость. После горячей дефор-
мации, как правило, микроструктура равноосная, мелко-
зернистая, макроструктура волокнистая. Образование во-
локнистой макроструктуры при горячей деформации —
полезное явление, особенно при изготовлении ответствен-
ных деталей (турбинных дисков, валов, роторов и т. п.).
Используя определенные операции ковки (например, осад-
ку, протяжку) можно получить макроструктуру, совпадаю-
щую с направлением максимальных напряжений в детали
при ее эксплуатации.
Оптимизация конструктивных и технологических реше-
ний дает толчок к созданию так называемого конструктив-
ного и технологического множества, без чего невозможен
выбор оптимальных решений в разнообразных условиях
производства. Поэтому насыщение производства большим
числом новых и совершенствование существующих техно-
логических процессов является характерным условием раз-
вития современного машиностроения. Особенно ярко это
обстоятельство проявляется в области обработки металлов
давлением, для которой, по данным Е. И. Исаченкова, в на-
стоящее время насчитывается более 400 способов объемно-
го формообразования [15].
Рассмотрим основные способы получения штучных заго-
товок.
Во многих случаях, когда требуются высокие прочность
и пластичность, применяют заготовки из сортового и
специального проката. В процессе прокатки нагретые до
температуры деформирования литые заготовки подверга-
104
ют многократному обжатию
в валках прокатных станов,
в результате чего значитель-
но повышается плотность ма-
териала за счет «залечива-
ния» литейных дефектов —
пористости, микротрещин и
т. п. Это придает заготовкам
ИЗ проката высокие проч- рис. 2.5. Схема поперечно-винтовой
ность и герметичность даже прокатки шаров
при небольшой их толщине.
При поперечно-винтовой прокатке в винтовых калибрах
непрерывное формообразование осуществляется путем пе-
ремещения обрабатываемого тела между вращающимися
валками, на поверхности которых по винтовой линии наре-
заны ручьи (рис. 2.5). В результате этого длинная цилинд-
рическая заготовка, двигаясь непрерывно, деформируется
на небольшом участке в относительно короткие тела враще-
ния заданной конфигурации. Таким способом получают,
в частности, шары [11].
Исходным материалом для изготовления мельничных ша-
ров служат прутки круглого поперечного сечения из углеро-
дистой стали диаметром на 1-3 мм меньше диаметра шара,
а для получения заготовок шаров подшипников качения —
прутки из стали ШХ15. Передний конец предварительно на-
гретой заготовки толкателем подается в непрерывно враща-
ющиеся валки. Высота винтовой реборды валков от начала
калибра плавно увеличивается, вследствие чего заготовка, за-
хваченная валками, продвигаясь вдоль оси калибра, посте-
пенно обжимается, приобретая форму шара, соединенного пе-
ремычкой с остальной заготовкой. Затем шар отделяется от
заготовки и обкатывается в калибре. При этом поверхность
шара проглаживается, а остаток перемычки закатывается и
из валков выбрасывается полностью сформованный шар.
Прокатанные заготовки шаров имеют точную форму,
а их диаметры изменяются в пределах 0,2-0,3 мм. Точные
размеры, хорошее качество поверхности и малая глубина
обезуглероженного слоя позволяют сократить припуск на
шлифование шаров до 0,5-0,7 мм на сторону.
Прокаткой в винтовых калибрах можно получать не толь-
ко шары, но и другие тела вращения, например втулки,
иглы для игольчатых подшипников.
Прокатка цилиндрических изделий в винтовых калиб-
рах находит применение и при получении заготовок, ис-
105
пользуемых в автоматических линиях, особенно для изде-
лий из хрупких или очень пластичных материалов, когда
традиционные способы резки мерных заготовок не могут
обеспечить ровные торцы в заготовках.
Круглые изделия с переменным по длине диаметром при-
меняются во многих отраслях машиностроения. К таким
изделиям относятся полуоси, валы, шпиндели и т. п. Обыч-
ные способы изготовления заготовок этих деталей токарной
обработкой или штамповкой вызывают большие потери ме-
талла (до 25-35 %) в стружку или на заусенцы и в то же
время являются малопроизводительными.
Наиболее целесообразным способом получения заготовок для
таких деталей является поперечно-винтовая прокатка на трех-
валковых станах [11]. Этот способ заключается в том, что три
приводных валка 1 (рис. 2.6) вращают заготовку 2, которая
принудительно перемещается в осевом направлении со значи-
тельным натяжением, создаваемым натяжным устройством
через свободно вращающийся патрон 3, захватывающий пе-
редний конец заготовки. Во время прокатки валки сближа-
ются и разводятся на требуемый размер гидравлической сле-
дящей системой в соответствии с заданным профилем смен-
ной копировальной линейки или путем числового программ-
ного управления по заранее заданной программе.
На трехвалковых станах можно получать прокат любой
формы, состоящей из соосно расположенных цилиндриче-
ских, конических, сферических или других поверхностей
вращения. Трехвалковые станы имеют сравнительно малые
установочные мощности, занимают меньше производствен-
ной площади, проще в эксплуатации и при ремонте.
По сравнению с другими способами получения аналогич-
ных деталей поперечно-винтовая прокатка профилей пере-
менного сечения имеет следующие преимущества:
• экономия металла до 15-30 %;
Рис. 2.6. Схема станка для поперечно-винтовой
прокатки профилей круглого сечения
106
• возможность полной механизации и автоматизации про-
цесса получения заготовок, начиная от загрузки заготовок
в приемную часть нагревательного устройства до получе-
ния готового периодического проката;
• переход от одного профиля заготовки к другому без за-
мены валков, только за счет смены копира или программы
(это позволяет прокатывать широкий сортамент заготовок
при малом парке инструмента);
• простота в переналадке стана к выпуску нового типораз-
мера проката (это дает возможность использовать способ для
получения заготовок в условиях мелкосерийного производства);
• низкая стоимость и малый расход инструмента при из-
готовлении деталей по сравнению со штамповкой.
В табл. 2.17 указаны основные способы переработки сор-
тового и специального проката до готовых деталей.
Ковка возникла еще в бронзовом веке, когда вручную полу-
чали сначала изделия из меди, а затем из самородного метео-
ритного железа. С развитием металлургии бронзы и железа ковка
получила очень широкое распространение. В настоящее время
область применения ковки сокращается, но в ряде случаев ков-
ка по-прежнему остается наиболее экономичным способом по-
лучения деформированных заготовок, т. е. поковок.
При ковке формоизменение происходит вследствие тече-
ния металла в стороны, перпендикулярные к движению
деформирующего инструмента-бойка. Применяемый при
ковке инструмент не создает значительного сопротивления
течению металла при деформировании, что и отличает ков-
ку от других видов обработки давлением, причем это тече-
ние ограничено лишь трением на контактной поверхности
инструмент — деформируемый металл.
Применение ковки для получения заготовок объясняет-
ся рядом ее преимуществ по сравнению с другими видами
обработки:
1) возможностью изготовления крупногабаритных поко-
вок массой несколько сотен тонн, получение которых дру-
гими способами невозможно; использованием сравнитель-
но маломощного оборудования при обработке таких поко-
вок, так как обработка ведется деформированием отдель-
ных участков заготовки;
2) возможностью получать поковки широкого ассорти-
мента благодаря применению универсального оборудования
и универсальной оснастки;
3) значительным улучшением качества металла, повы-
шением его механических свойств, особенно пластичности
и ударной вязкости.
107
Таблица 2.17
Виды проката, способы его переработки и области применения
Вид исходной за- готовки (прокат) Способ переработки Применение
Сортовой: круглый Механическая обработ- ка, радиальная ковка, штамповка на ГКМ Гладкие и ступенчатые валы и оси с небольшим перепадом ступеней, стаканы диаметром до 50 мм и втулки с наружным диаметром до 25 мм
квадратный, прямоуголь- ный, шести- гранный Механическая обработ- ка, высадка, штампов- ка на КГШП Крепежные детали, неболь- шие детали типа рычагов, тяг и планок
листовой Листовая штамповка, обработка на давиль- ных станках Цилиндрические полые заго- товки, фланцы, кольца, плос- кие детали различной формы
трубный Механическая обработ- ка, высадка, раздача, штамповка Цилиндры, втулки, гильзы, стаканы, барабаны, ролики, фланцы и т. п.
профильный сортовой: двутавр, швеллер, уголок Резка, сварка Балки, кронштейны, полки, рамы, станины и т. п.
Периодический: продольный, поперечно- винтовой Штамповка Заготовки под штамповку (поз- воляют снизить расход метал- ла до 15 %, себестоимость на 10-20 %, увеличить стойкость штампов, повысить производи- тельность труда на 25-30 %)
поперечный Штамповка, готовые детали (шары) Шары для подшипников каче- ния, углеразмольных и цемент- ных мельниц, полые профили- рованные трубчатые заготовки
Основные недостатки ковки следующие:
• низкая производительность, значительная трудоемкость
изготовления поковок, особенно на прессах;
• большие напуски, припуски и допускаемые отклоне-
ния размеров поковки, что приводит к увеличению объема
механической обработки и расхода металла.
В табл. 2.18 и 2.19 приведены припуски и допускаемые
отклонения размеров поковок, изготавливаемых ковкой на
молотах и прессах.
108
Ковка является рациональным и экономически выгодным
процессом получения качественных заготовок с высокими
механическими свойствами в условиях мелкосерийного и
единичного производств. Ковкой изготавливают самые раз-
нообразные поковки, масса которых находится в пределах
от нескольких десятков граммов до сотен тонн.
Наиболее ответственные детали, такие как валы и диски
турбин, роторы, коленчатые валы судовых двигателей, бара-
баны котлов высокого давления и т. п., к которым предъяв-
ляются высокие требования по качеству металла и механи-
ческим свойствам, изготавливают из поковок.
Ковка осуществляется при температурах горячей дефор-
мации, поэтому для такого вида обработки применяют все
Таблица 2.18
Припуски и допускаемые отклонения на кованые молотовые поковки
Длина детали L, мм Диаметр детали или размер сечения, мм
До 50 Св. 50 до 70 Св. 70 до 90 Св. 90 до 120 Св. 120 до 160 Св. 160 до 200 Св. 200 до 250 Св. 250 до 300 Св. 300 до 360
Припуски 5 и предельные отклонения +Д/2, мм
До 250 5±2 6+2 7+2 8±3 9±3 — — — —
Св. 250 до 500 6+2 7±2 8±2 9+3 10±3 11±3 12+3 13±4 14+4
Св. 500 до 800 7±2 8+2 9+3 10+3 11±3 12±3 13+4 14+4 15+4
Св. 800 до 1200 8±2 9+3 10+3 11+3 12±3 13+4 14±4 15+4 16±4
Св. 1200 до 1700 — 10+3 11±3 12+4 13±4 14±4 15+4 16±5 17±5
Св. 1700 до 2300 — 11+3 12±3 13±4 14+4 15±4 16+5 17+5 18+5
Св. 2300 до 3000 — — 13±4 14±4 15±4 16+5 17±5 18±5 19±5
Св. 3000 до 4000 — — — 15±5 16±5 17+5 18±5 19+5 20±6
Св. 4000 до 5000 — — — 16+5 17±5 18+5 19+5 20+6 21±6
Св. 5000 до 6000 — — — — 18±5 19±5 20+6 21±6 22±6
Примечания. 1. В случае обработки поверхности детали по более высокому
параметру шероховатости (Лг = 40 + 20) допускается увеличение соответствующих
табличных значений припусков, но не более чем на 1 мм на сторону. 2. Припуски
и предельные отклонения для прямоугольного сечения детали назначаются в зави-
симости от наибольшего сечения.
109
Таблица 2.19
Припуски и допуски на кованые прессовые поковки
Длина детали L, мм Диаметр детали D, мм
Св. 250 до 280 Св. 280 до 315 Св. 315 до 355 Св. 355 до 400 Св. 400 до 450 Св. 450 до 500
Припуски 5 и предельные отклонения ±Д/2, мм
До 1000 13+2 13+2 14±2 16±3 17±3 17±3
Св. 1000 до 1250 13+2 14±2 16+3 17+3 17±3 17±3
Св. 1250 до 1600 14±2 16±3 17±3 17±3 17±3 18±3
Св. 1600 до 2000 16±3 17±3 17±3 17±3 18+3 18±3
Св. 2000 до 2500 17±3 17±3 17±3 18+3 18±3 20±4
Св. 2500 до 3150 17±3 17±3 18±3 18±3 20±4 20+4
Св. 3150 до 4000 17±3 18±3 18±3 20±4 20±4 21±4
Примечание. Данные таблицы распространяются на детали, у которых
L > 1,25 D.
стали и сплавы, используемые при обработке металлов дав-
лением. Шероховатость поверхности поковок, полученных
ковкой, Rz = 320 -5- 80 мкм. При использовании подкладных
штампов параметр шероховатости поверхности Rz поковок
может быть доведен до 80-40 мкм. Коэффициент весовой
точности поковок не превышает 0,3-0,4, что вызывает боль-
шой объем механической обработки. Поэтому в условиях
мелкосерийного производства целесообразно применять не-
сложные подкладные штампы, групповую или секционную
штамповку [16].
Для снижения расхода металла при партиях более 30-50
поковок одного наименования рекомендуется применять под-
кладные открытые или закрытые штампы (рис. 2.7). В этом
случае возможно получение без напусков поковок относитель-
но сложной формы с припусками и допусками примерно на
15-20 % ниже, чем при ковке на универсальном инструменте.
Подкладные штампы можно применять для получения
поковок массой до 150 кг, но преимущественно подкладные
штампы применяют для поковок массой до 10-15 кг.
Как видно из данных, приведенных на рис. 2.7, приме-
нение подкладного штампа позволяет повысить коэффици-
ент весовой точности и улучшить качество поковки за счет
более рационального распределения металла, уменьшить
объем механической обработки и снизить стоимость полу-
чения готовой детали.
110
Рис. 2.7. Поковки, получаемые ковкой (а) и в подкладных штампах (б)
В табл. 2.20 приведены экономические показатели, по-
лученные в результате совершенствования технологических
процессов ковки для некоторых деталей.
Горячая объемная штамповка наиболее широко приме-
няется для получения качественных заготовок. Горячей
объемной штамповкой получают заготовки для ответствен-
ных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных
машин, железнодорожных вагонов, самолетов, металлообра-
батывающих станков, швейных машин и т. д. Более 65 %
массы всех поковок и до 20 % массы деталей большинства
машин изготавливаются из заготовок, полученных горячей
объемной штамповкой. Этот способ штамповки наиболее эф-
фективен при массовом, крупносерийном и серийном произ-
Таблица 2.20
Изменение технико-экономических показателей при ковке
за счет применения подкладных штампов и универсальной оснастки
Деталь Число дета- лей, шт. Марка стали Масса поковки Годовая экономия металла Снижение трудоемкости, нормо-ч
старой новой кг % при изготов- лении загото- вок при механи- ческой обра- ботке
Обтекатель 113 12МХ 17,1 10,9 700 36,3 3-22 37-40
Корпус 113 12МХ 83,5 54,7 3260 34,5 29-24 35-47
Поршень 113 12МХ 14,0 10,3 418 36,4 3-22 30-08
Фланец 75 12Х18Н10Т 181,0 128,0 3975 29,3 15-00 56-15
Фланец 2 12Х18Н9Т 13,0 8,0 10 38,5 0-12 1-24
Колесо коническое 78 40Х 3,35 1,9 110,2 43,3 — 23-40
111
водствах деталей массой от нескольких граммов до несколь-
ких тонн (примерно до 3 т). Наиболее целесообразно изготов-
ление штамповкой поковок массой не более 50-100 кг.
По сравнению с ковкой горячая объемная штамповка
имеет следующие преимущества:
• поковки, изготавливаемые штамповкой, имеют более
сложную форму и лучшее качество поверхности; параметр
шероховатости поверхности Rz = 80 + 20 мкм, а при приме-
нении холодной калибровки Rz = 10 -s-1,6 мкм;
• поковки можно получать со значительно меньшими до-
пусками, чем при ковке, а при точной штамповке допуски
можно довести до долей миллиметра и подвести под классы
точности, получаемые при обработке резанием;
• припуски снижаются в два-три раза (как правило, ме-
ханической обработке подвергаются только сопрягаемые по-
верхности);
• значительно повышается производительность труда (де-
сятки и сотни поковок в час);
• за счет наличия в конструкции штамповочного обору-
дования выталкивателей штамповочные уклоны значительно
меньше, чем при получении штамповок на молотах.
К недостаткам горячей объемной штамповки относятся:
• ограничения по массе получаемых поковок;
• дополнительный отход металла в заусенец, масса кото-
рого составляет от 10 до 30 % от массы поковки;
• для горячей объемной штамповки требуются большие
усилия деформирования, чем для ковки; инструмент (штамп)
является более сложным и дорогим, чем универсальный
инструмент для ковки.
Горячая объемная штамповка подразделяется на различ-
ные виды в зависимости от типов штампа, оборудования,
исходной заготовки, способа установки заготовки в штампе
и т. п. Остановимся только на факторах, которые определя-
ют конфигурацию поковки и точность ее изготовления, т. е.
на типах штампов и оборудования.
В зависимости от оборудования имеются следующие виды
объемной штамповки: на штамповочных паровоздушных
молотах двойного действия, кривошипных горячештамповоч-
ных прессах (КГШП), горизонтально-ковочных машинах
(ГКМ), гидравлических прессах, высокоскоростных молотах
и на специальных машинах (ковочные вальцы, горизонталь-
но-гибочные машины — бульдозеры, ротационно-обжимные
и радиально-обжимные машины, электровысадочные маши-
ны, раскатные машины).
112
Для изготовления одних и тех же деталей применяют
различное оборудование, при этом можно значительно из-
менять конфигурацию поковки, размеры припуска и до-
пуска, напуски и точность изготовления.
В зависимости от типа штампа горячая объемная штам-
повка подразделяется на следующие виды: в открытых штам-
пах (рис. 2.8, а), в закрытых штампах (рис. 2.8, б), в штам-
пах для выдавливания.
Перечисленные типы штампов применяют при штампов-
ке на всех типах оборудования. Вид штампа определяет те-
чение металла, т. е. конфигурацию поковки, поэтому дан-
ную классификацию штамповки можно считать основной.
Штамповка в открытых штампах характеризуется тем,
что штамп в процессе деформирования остается открытым
(рис. 2.8, а). Зазор между подвижной и неподвижной час-
тями штампа является переменным, в него затекает (вы-
давливается) металл при деформировании, образуя заусе-
нец, т. е. технологический припуск, размеры которого рас-
считывают при проектировании технологии в зависимости
от размеров поковки. Основное назначение этого заусенца —
компенсация колебаний исходных заготовок по массе.
Этот тип штампа можно применять для деталей любой
конфигурации. Однако наличие заусенца увеличивает рас-
ход металла, кроме того, для обрезки заусенца необходимо
применение специальных обрезных прессов и штампов.
При штамповке в закрытых штампах штамп в процессе
деформирования остается закрытым, т. е. металл деформи-
руется в закрытом пространстве (рис. 2.8, б). Зазор между
подвижной и неподвижной частями штампа в процессе де-
формирования остается постоянным и незначительным по
размеру — он только предохраняет штамп от заклинива-
ния. Отсутствие заусенца сокращает расход металла, отпа-
Рис. 2.8. Схемы открытой
(а) и закрытой (б) штам-
повки
113
дает необходимость в об-
резных прессе и инстру-
менте. Однако этот тип
штампа применяется для
сравнительно простых де-
талей, в основном тел вра-
щения. Кроме того, отсут-
ствие заусенца вызывает
необходимость использо-
Рис. 2.9. Схемы расположения волокон вать точные заготовки ИЗ
металла при открытой (а) и закрытой калиброванного проката
(б) штамповке или ПредварИтельно ме.
ханически обработанные.
Сопоставляя качество макроструктуры поковок, отштам-
пованных в открытых и закрытых штампах, необходимо
отметить, что при закрытой штамповке макроструктура
более качественная, так как процесс образования поковки
в полости штампа протекает без нарушения сплошности
волокон, при обрезке заусенца после открытой штамповки
волокна оказываются перерезанными, что снижает проч-
ность детали (рис. 2.9).
Штамповка в штампах для выдавливания — наиболее
прогрессивный технологический процесс горячей штампов-
ки. При использовании штампов для выдавливания значи-
тельно снижается расход металла (до 30 %), повышается
коэффициент весовой точности, поковки получаются точ-
ные, максимально при-
ближающиеся по форме
и размерам к готовым
деталям, производитель-
ность труда увеличива-
ется в 1,5-2,0 раза.
Для выдавливания наи-
более целесообразны сле-
дующие типы поковок:
стержень с фланцем,
клапаны двигателей, по-
лые детали типа стака-
нов и т. п. Схемы штам-
повки в штампах для
выдавливания приведе-
ны на рис. 2.10, где
стрелками указано тече-
ние металла. Этим спо-
Рис. 2.10. Схемы штамповки выдавлива-
нием: а — прямое; б — обратное:
1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — поковка; 4 —
выталкиватель
114
Рис. 2.11. Эскизы штамповок, полученных на молоте (а) и выдавлива-
нием (б)
собой можно получать детали из углеродистых и легирован-
ных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов.
Поковки, изготовленные выдавливанием, имеют высокое
качество поверхности, плотную микроструктуру. Точность
поковок может соответствовать 12-му квалитету, пределы
допусков на размеры +1,0...-0,5. Это достигается в результа-
те тщательной подготовки исходных заготовок под штампов-
ку, а также высокой точности изготовления и наладки штам-
пов, использованием специальных смазочных материалов.
Основное преимущество выдавливания перед штампов-
кой в открытых штампах — получение поковок с точными
размерами и чистой поверхностью. Основные недостатки —
высокие удельные усилия деформирования, большие энер-
гозатраты на реализацию процесса и низкая стойкость штам-
повой оснастки.
На рис. 2.11 представлены эскизы поковок, получаемых
штамповкой на молоте (а) и выдавливанием (б). Из сравне-
ния эскизов видно, что в данном случае выдавливание бо-
лее эффективно, чем штамповка.
Эффективность применения горячего выдавливания вид-
на из табл. 2.21.
Таблица 2.21
Изменение затрат при штамповке выдавливанием
Выдавливание Норма расхода металла, кг Экономия,%
на молоте в закрытых штампах в штампах для выдавливания по материалу ПО трудоемкости
Прямое 68,01 34,33 49,5 41,8
Обратное 16,78 10,44 97,8 10,6
115
Выбор штампа (открытый, закрытый или для выдавлива-
ния) определяется: во-первых — конфигурацией и сложнос-
тью детали, во-вторых — ее массой и материалом, в-треть-
их — типом производства. Следует учитывать также и суще-
ственные различия в макроструктуре материала поковок,
полученных в различных штампах. Макроструктура мате-
риала детали определяет ее прочность и долговечность, по-
этому указанное обстоятельство должно учитываться при
выборе технологического процесса получения штампованной
заготовки.
На конфигурацию поковок, получаемых горячей объем-
ной штамповкой, на их точность, объем последующей ме-
ханической обработки и себестоимость большое влияние
оказывает не только тип штампа, но и вид применяемого
оборудования.
Разница в принципе воздействия этих машин на дефор-
мируемый материал является определяющей. Ударный ха-
рактер работы штамповочного молота исключает возмож-
ность использования выталкивателей, что приводит к зна-
чительному расходу металла на штамповочные уклоны и
компенсацию возможного смещения половин штампа отно-
сительно друг друга. Производительность труда при штам-
повке на молотах невысокая, процесс трудно поддается ком-
плексной автоматизации.
Штамповка на кривошипных горячештамповочных прес-
сах имеет ряд технологических и эксплуатационных пре-
имуществ по сравнению со штамповкой на молотах. К ним
относятся:
• форма поковки более близка к форме готовой детали
(рис. 2.12);
• высокая точность поковок (особенно по высоте);
• при штамповке на молоте пределы допусков 0,8-1,0 мм,
а при штамповке на КГШП — 0,2-0,5 мм;
• существенная экономия металла и сокращение объема
механической обработки за счет снижения припусков (в сред-
нем на 20-30 %) и штамповочных уклонов (в два-три раза);
• повышение производительности труда в среднем в 1,4 раза;
• возможность полной автоматизации процесса;
• КПД прессов в три раза выше, чем у молотов;
• снижение себестоимости изготовления поковок пример-
но на 10-30 %.
Штамповку на молотах в основном применяют в се-
рийном и крупносерийном производствах поковок массой
0,01-1000 кг, штамповка на КГШП наиболее целесообраз-
но
на при крупносерийном и мас-
совом производствах деталей
сложной формы массой до не-
скольких сот килограммов.
При оценке эффективности
горячей объемной штамповки
следует учитывать стоимость
штамповой оснастки, так как
Рис. 2.12. Схемы расположения
припусков на механическую об-
работку при штамповке на мо-
лоте (а) и прессе (б)
значительная доля затрат пада-
ет на стоимость штампов (в за-
висимости от характера про-
изводства составляет 10-60 %
стоимости поковок). Молотовые
штампы изготавливают цельноблочными, массивными, что
приводит к значительному расходу дорогостоящей, слож-
нолегированной стали. Прессовые штампы требуют меньше
материала, но более сложны в механической обработке. За-
траты на штамповую оснастку зависят от стойкости штам-
пов: чем больше выпуск поковок и чем больше стойкость
штампов, тем меньше затраты на штампы (табл. 2.22).
Особенность конструкции гидравлических прессов обес-
печивает неударный характер приложения нагрузки, поэто-
му они значительно тихоходнее, дороже и менее производи-
тельны, чем штамповочные молоты. Гидравлические прес-
сы вместо штамповочных молотов применяют только там,
где не может быть использован молот — при штамповке:
Таблица 2.22
Ориентировочная стойкость вставок молотовых штампов
Поковки. Оборудование Материал вставки Стойкость, тыс. шт.
Втулки и шестерни из конструкционной ста- ли. Молот. МПЧ 1,25-5,0 тс 5ХНВ 3,0-4,5
4ХЗВМФ 8,0-11,0
Ролики трактора из стали 40Х. Молот. МПЧ 4 тс 5ХНМ 4,5
5Х2НВМФ 11,2
Ролики из стали 50Г. Молот. МПЧ 5 тс 5ХНВ 3,2-4,2
Удлиненные из конструкционных сталей. Мо- лот. МПЧ 5-8 тс 5ХНМ 2,0
Ролики трактора из стали 40Х. Молот. МПЧ 8 тс 5ХГВ 0,9-2,2
Крышки и фитинги из специальных сталей. Молот. МПЧ 3-5 тс 5ХНВ 0,15-0,4
4Х5В2ФС 0,8-1,5
117
крупных штамповок, для которых масса падающих частей
самых мощных молотов оказывается недостаточной; ма-
лопластичных сплавов, не допускающих больших скорос-
тей деформирования; выдавливанием, где требуется боль-
шой ход рабочего инструмента; поковок цилиндрической
формы типа втулок, стаканов и очень сложных форм
в разъемных матрицах.
Применение разъемных матриц позволяет получать по-
ковки, по форме и размерам приближающиеся к конфигу-
рации готовых деталей, без заусенца и штамповочных ук-
лонов. Точность размеров таких поковок может достигать
11-го 12-го квалитетов. Коэффициент использования металла
увеличивается с 0,2 до 0,6, трудоемкость механической об-
работки уменьшается на 15-20%.
Фрикционные винтовые прессы по принципу воздействия
на деформируемый металл занимают промежуточное поло-
жение между прессом и молотом. Их применяют для мел-
ких и средних поковок типа колпачков и стаканчиков, типа
стержня с утолщением, например винты и болты, а также
для штамповки сложных поковок, требующих разъемных
матриц, в частности корпусов вентилей, тройников деталей
трубопроводов.
На фрикционных прессах штампуют поковки из черных
и из цветных металлов, преимущественно малопластичных,
медных и магниевых сплавов. Винтовые фрикционные прес-
сы — тихоходные малопроизводительные машины, поэто-
му их применение ограничено при крупносерийном произ-
водстве.
Кривошипные горячештамповочные и винтовые прессы
применяют для получения точных поковок шестерен с го-
товым профилем зуба. Освоены и внедрены в производство
технологические процессы штамповки шестерен с прямым
и спиральным профилем зуба, с модулем 5 мм и выше.
Штамповку конических и цилиндрических шестерен
с готовым профилем зуба применяют для получения: готовых
шестерен без последующей механической обработки по зубу
с параметром шероховатости поверхности Rz = 40 -*• 20 мкм,
применяемых в сельхозмашиностроении, угольной промыш-
ленности и т. д., шестерен с готовым профилем зуба, требу-
ющим только чистовой обработки. Припуск по профилю зу-
ба принимают равным 0,6 мм на сторону, а по наружному
конусу или диаметру цилиндрической шестерни — 1,5 мм
на сторону.
118
Штампованные шестерни с готовым профилем зуба име-
ют ряд преимуществ перед шестернями, изготавливаемы-
ми механической обработкой:
статическая прочность таких шестерен в среднем на 50 %
выше обычных, так как у штампованных зубьев волокна
металла расположены вдоль контура зуба, а у фрезерован-
ных зубьев они перерезаны; это увеличение прочности зу-
бьев позволяет снизить массу и удешевить стоимость ма-
шины путем снижения габаритных размеров или замены
легированных сталей обычными конструкционными;
значительно снижаются расход металла (в среднем на
25-45 %) и общая трудоемкость изготовления шестерен.
Широкое применение для горячей объемной штамповки,
особенно для операций высадки, получили горизонтально-
ковочные машины (ГКМ), представляющие собой механи-
ческий пресс, расположенный в горизонтальной плоскости.
Кроме главного деформирующего ползуна имеется ползун,
движение которого перпендикулярно к движению главно-
го ползуна, осуществляющего смыкание и размыкание бло-
ка матриц.
В отличие от штампов молотовых и прессовых штампы
для ГКМ имеют два взаимно перпендикулярных разъема и
могут быть открытыми и закрытыми. Наличие двух разъ-
емов в штампе создает лучшие условия для выполнения
высадочных работ и позволяет получать поковки, как пра-
вило, без штамповочных уклонов.
Поковки, получаемые на горизонтально-ковочных маши-
нах, обычно имеют форму тел вращения. Типичные предста-
вители поковок, штампуемых на ГКМ, приведены на рис. 2.13.
Эти машины позволяют: производить высадку конусов
на длинных (до 3 м и более) прутковых и трубных заготов-
ках; получать изделия типа стержня или трубы с головкой
значительного объема путем последовательной высадки
с последующим набором металла головки (рис. 2.14); штам-
повать осадкой в торец изделия сложной формы, для изго-
Рис. 2.13. Типы поковок, штампуемых на ГКМ
119
Рис. 2.14. Схема многоручьевой вы-
садки стержневой детали на ГКМ:
товления которых необходи-
мо применение разъемных
матриц; получать поковки
с отверстиями из прутковой
заготовки без отходов метал-
ла на просечку отверстия.
При сопоставлении штам-
повки на горизонтально-ко-
вочных машинах со штампов-
кой на молотах и прессах не-
обходимо учитывать, что но-
менклатура поковок для этих
машин резко ограничена, мас-
са их сравнительно небольшая
(обычно 30-50 кг), стойкость
I-IV — последовательность операций ШТАМПОВ НИЖв, 4GM у МОЛОТОВ
и прессов, стоимость горизон-
тально-ковочных машин примерно в 1,5 раза выше, чем сто-
имость кривошипных прессов той же мощности. Однако до-
стигаемая экономия металла, возможность получения более
сложных и точных поковок, исключение предварительной
операции резки прутков на штучные заготовки делают этот
способ экономически целесообразным (рис. 2.15).
Все возрастающие требования к экономии материалов,
разработке таких технологических процессов получения за-
готовок, когда механическую обработку применяют только
как доводочную операцию, вызвали появление процессов
«точной», или малоотходной, горячей объемной штамповки.
Точная горячая объемная штамповка относится к прогрес-
сивным технологическим процессам, обеспечивающим эко-
номию металла, сокращение трудоемкости при механиче-
ской обработке, повышение качества и надежности деталей.
Использование машин узкого назначения вместо универ-
сальных при производстве заготовок позволяет во многих
Рис. 2.15. Формы поковок при штамповке на ГКМ (а), молоте (б)
и прессе (в):
1 — деталь; 2 — припуск на механическую обработку
120
случаях значительно снизить трудоемкость, сократить сро-
ки изготовления и улучшить качество деталей. Ниже в об-
щих чертах рассмотрим специализированные процессы,
нашедшие за последнее время наибольшее распространение
в кузнечно-штамповочном производстве.
Скорость деформирования металла при горячей штам-
повке на горячештамповочных кривошипных прессах
0,3-0,6 м/с, на молотах 5-7 м/с, на специальных маши-
нах, предназначенных для скоростного деформирования ме-
талла, 13 м/с и выше.
При высоких скоростях деформирования металл стано-
вится значительно пластичнее, податливее и при штампов-
ке поковок ручей штампа хорошо заполняется. Чистота
поверхности поковок достигает 4-5-го класса. Штамповка,
как правило, производится за один удар со штамповочны-
ми уклонами, не превышающими 0,5°.
Штамповка поковок с высокими скоростями деформи-
рования металла имеет следующие основные преимущества
перед обычными методами.
Высокая точность штампованных поковок (4-5-й классы)
позволяет сократить их механическую обработку на 60-75 %
и приблизить их по форме и размерам к окончательно изго-
товляемым деталям. Для поковок, полученных методом ско-
ростного деформирования, основной технологической опера-
цией в механическом цехе является шлифовка (рис. 2.16).
Кроме алюминиевых сплавов АК6, АК8, В95, АВ, АМгЗ,
сталей углеродистых, легированных, конструкционных и
инструментальных, штампуемых обычным методом, мож
но штамповать поковки из труднодеформируемых метал
лов и сплавов: титановых сплавов ВТ-1, ВТЗ-1, ВТ-5, жаро
прочных сталей ЭИ417, ЭИ481, ЭИ654, ЭИ696, сплавов, по
лученных на основе ниобия,
молибдена, вольфрама и т. д.
Значительно снижается рас-
ход металла, так как штам-
повка производится в закры-
том штампе и с меньшими
(в 5-10 раз) штамповочными
уклонами, чем при обычной
штамповке. Снижается расход
металла и трудоемкость изго-
Рис. 2.16. Типичные детали, по-
лучаемые высокоскоростным де-
формированием
товления штампов, так как
штамповка производится в ос-
новном за один удар в одном
121
ручье вместо двух—четырех при обычных методах изготов-
ления поковок.
Масса машины для скоростного деформирования в 10 раз
меньше массы эквивалентного парового штамповочного моло-
та. Это объясняется тем, что в машинах отсутствуют дорого-
стоящие тяжелые фундаменты, металлоемкие узлы и детали
(шабот, баба и т. д.), не требуются котельная и промразводки.
К недостаткам штамповки методом высокоскоростного
деформирования металла следует отнести невысокие стой-
кость штампов (не превышающую 1500 шт.) и производи-
тельность оборудования (до 150 шт./ч).
Технологический процесс штамповки поковок методом
высокоскоростного деформирования металла состоит из рез-
ки заготовок, их нагрева и штамповки.
Заготовки должны быть отрезаны с максимально возмож-
ной точностью, так же как и при штамповке методом вы-
давливания. Излишек металла повышает трудоемкость из-
готовления деталей при механической обработке и снижает
стойкость штампа, а недостаток ведет к браку поковки. Для
получения поковок высокой точности по массе и объему
заготовки следует резать на специальных ножницах, снаб-
женных дозирующим устройством и обеспечивающих пер-
пендикулярность плоскости среза к оси заготовки.
Для штамповки поковок ответственных деталей следует
резать заготовки на токарных автоматах с одновременным
удалением внешних пороков металла и образованием на од-
ном из торцов фаски для лучшей фиксации заготовки в штам-
пе и лучшего его заполнения.
В тех случаях, когда используют труднодеформируемые
сплавы или металлы, не поддающиеся механической обра-
ботке, резку заготовок можно производить электроискро-
вым способом.
Нагрев не должен сопровождаться образованием окали-
ны (при скоростном методе деформирования нецелесообразно
предусматривать переход для сбивки окалины с поверхнос-
ти заготовки), производить его следует в индукторе, так
как при нагреве в обычных окислительных печах с после-
дующей гидроочисткой изменяется объем заготовки и на-
рушается точность, достигнутая при резке.
Штамповка осуществляется в закрытом штампе обычно
за один удар. Обе половины штампа подвижные — машина
работает по принципу бесшаботного молота; ход нижней
рамы 15 мм, этого достаточно, чтобы не применять громозд-
кие шабот и фундамент.
122
Рис. 2.17. Схемы гибки на бульдозерах и типы получаемых профилей
Подвижные части молота после удара уравновешивают-
ся пружинными амортизаторами, установленными с обеих
сторон станины.
Штамповку на горизонтально-гибочных машинах приме-
няют для получения заготовок из сортового или полосового
материала больших габаритных размеров. Она может осуще-
ствляться как в горячем, так и в холодном состоянии. Как
правило, изделия, получаемые гибкой, не подвергаются меха-
нической обработке, поэтому при конструировании деталей
в чертеже следует предусмотреть все необходимые требования
для обеспечения точности формы и размеров детали:
• по возможности избегать гибки на ребро;
• обеспечивать внутренние радиусы изгиба максимально
возможными;
• незначительные отклонения размеров в результате ис-
кажения проката в местах изгиба не учитывать и в чертеже
не указывать
Горизонтально-гибочные машины позволяют осуществлять
гибку V-образных (рис. 2.17, а), П-образных (рис. 2.17, б),
дугообразных (рис. 2.17, в) и круглых (рис. 2.17, г) деталей.
Вальцовка представляет собой разновидность прокатки,
когда деформирование штучной заготовки производится
в секторных штампах ковочных вальцов (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Стадии вальцовки:
1 — подающий схват; 2, 3 — секторные штампы
123
Ковочные вальцы относительно просты по конструкции,
просты в эксплуатации и высокопроизводительны. Из мер-
ных заготовок круглого, квадратного или прямоугольного
поперечных сечений вальцовкой изготавливают фасонные
заготовки удлиненной формы, переменного сечения и, как
правило, с прямолинейной осью. Вальцовку применяют для
изготовления заготовок под дальнейшую штамповку на прес-
сах или молотах, а также для получения готовых поковок
и как отделочную операцию.
Штамповку вальцовкой применяют при массовом и круп-
носерийном производствах для получения мелких и сред-
них поковок переменного сечения и различной формы (на-
пример, гаечных ключей, плоскогубцев, звеньев транспор-
теров и т. п.). Поковки получают в «ленте» по несколько
штук, расположенных в длину и соединенных между собой
заусенцем. Параметр шероховатости поверхности таких
поковок Rz = 320 40 мкм, производительность процесса оце-
нивают тысячами штук в смену.
Отделочную вальцовку применяют для получения про-
фильных заготовок, например турбинных лопаток с при-
пуском на рабочую поверхность до 0,2-0,15 мм, парамет-
ром шероховатости поверхности Rz до 3,2 мкм. Обычно та-
кую вальцовку проводят в холодном состоянии, причем
получаемые заготовки имеют окончательные размеры по
толщине и профилю. Отделочная вальцовка дает значитель-
ный эффект: снижаются расход металла в среднем на 35 %,
трудоемкость на 20 %, себестоимость на 35 %.
Штамповку на радиально-обжимных и ротационно-ковоч-
ных машинах осуществляют как в горячем, так и в холод-
ном состоянии, обрабатывая осесимметричные детали с вы-
тянутой осью [38].
Ротационное деформирование как метод точной обработ-
ки изделий получило применение в производстве сравни-
тельно недавно, чему способствовало появление специали-
зированных радиально-обжимных и ротационно-ковочных
машин с программным управлением. Изделия, изготовляе-
мые на этом оборудовании, имеют широкий диапазон раз-
меров диаметра: от 0,15 мм (для прутка) до 600 мм (для
трубной заготовки). Эскизы деталей, получаемых ротаци-
онным деформированием, приведены на рис. 2.19.
На радиально-обжимных и ротационно-ковочных маши-
нах можно изготавливать ступенчатые и удлиненные по-
ковки и изделия из жаропрочных и малопластичных ста-
лей и сплавов, сплавов на основе алюминия, а также из
124
Рис. 2.19. Эскизы деталей, получаемых ротационным деформированием
металлокерамики и металлопорошков, получать отверстия
малых диаметров на относительно большой длине, произво-
дить сборочные операции.
Точность и шероховатость поверхности поковок зависят
от качества изготовления и геометрии инструмента, режи-
мов обработки. При удовлетворительном сочетании всех
факторов можно получить параметры шероховатости поверх-
ности: Rz = 1,6 -ь 0,4 мкм при холодной и Rz = 2,0 + 6,3 мкм
при горячей обработке. В этих случаях обжатие позволяет
одновременно заменить точение и шлифование. Точность
обработки при холодном обжатии соответствует 6-8-му при
горячем — 11-13-му квалитетам.
В процессе ротационного обжатия улучшается структура
металла, повышаются его механические свойства. Повыше-
ние прочности изделий после обжатия предопределяет при-
менение этого вида обработки в тех случаях, когда затруд-
нено выполнение термической обработки.
Сущность процесса состоит в следующем: прутковая за-
готовка подвергается обжатию бойками, движущимися на-
встречу друг другу; движение бойков у разных конструк-
ций машин осуществляется по-разному; число бойков так-
же может быть различным: два, три, четыре (рис. 2.20).
Число обжатий у различных машин колеблется от несколь-
ких сот до нескольких тысяч в минуту.
Основным преимуществом данного вида обработки явля-
ется получение поковок высокой точности с высокой чисто-
той поверхности. Дальнейшая механическая обработка, за
исключением шлифования (в целях достижения необходи-
мой точности) и последующих доводочных операций, в боль-
шинстве случаев излишняя.
Прочность изделий увеличивается примерно на 30 %.
Процесс позволяет значительно экономить металл. Так, при
переводе изделий типа ступенчатых валов со штамповки
или механической обработки на горячее обжатие экономия
металла достигает 40-60 %. Производительность (по срав-
нению с токарной обработкой) возрастает в четыре-пять раз.
125
Рис. 2.20. Схемы ковки на ротационно-ковочной (а) и
радиально-обжимной (б) машинах:
1 — бойки; 2 — поковка; Е — ход бойка
Поэтому перевод изделий с обработки резанием на ротаци-
онное обжатие во всех типах производства, кроме единич-
ного, всегда является экономически целесообразным.
Раскатка кольцевых заготовок широко распространена
в промышленности для получения заготовок колец сложного
профиля, с поднутрениями, буртами, выточками и т. д. [8].
Раскатка не является самостоятельным процессом обра-
ботки металлов давлением, так как исходные заготовки для
раскатки обычно получают штамповкой, ковкой, литьем или
из труб. Раскатку осуществляют как в горячем, так и в хо-
лодном состоянии.
В соответствии с габаритными размерами применяемого
оборудования раскатке подвергают заготовки с наружным
диаметром от 40 до 2000 мм при высоте обрабатываемого
обода до 180 мм. На рис. 2.21 показаны схемы раскатки
кольцевых заготовок, а на рис. 2.22 — типы колец, получа-
емых раскаткой.
Допуск на наружный диаметр кольца принимают +0,010,
на внутренний диаметр — 0,022с?, но не более 6 мм. Пара-
метр шероховатости поверхности Rz = 10 + 3,2 мкм.
Основные преимущества раскатки следующие:
• получение более сложного профиля и более точных раз-
меров, чем при штамповке;
• обеспечение в заготовке тангенциального расположения
волокон металла, что значительно увеличивает надежность
изделий;
• значительная экономия металла, повышение коэффи-
циента весовой точности до 0,7-0,75;
126
Рис. 2.21. Схемы раскатки:
1 — опорный ролик; 2 — обжимной ролик; 3 — рас-
катываемое кольцо; 4, 5 — ограничительные ролики
• высокая производительность процесса (250 шт./ч круп-
ных и 500 шт./ч мелких поковок);
• снижение трудоемкости механической обработки на
20-30 %.
Недостаточная производительность (в ряде случаев и точ-
ность) шлицефрезерования обусловила возникновение но-
вых методов образования шлицев, в частности пластиче-
ским деформированием накаткой, т. е. превращением глад-
кой поверхности заготовки в ребристую определенного про-
филя [46]. Этот процесс комбинированный, заготовки под
накатку получают либо штамповкой, либо ковкой, в неко-
торых случаях заготовкой может служить пруток. Диаметр
заготовки под накатку определяют опытным путем.
Основным оборудованием являются специальные станы,
действующие по принципу поперечной прокатки, с прину-
дительным вращением заготовки и пары накатных валков
(рис. 2.23). Такой способ накатки в основном используют
для горячей накатки зубьев колес, шлицев на валах и круп-
Рис. 2.22. Типы колец, получаемых рас-
каткой: а — горячей; б — холодной
127
Рис. 2.23. Схемы накатки:
а — штучных заготовок; б —
от прутка:
1 — деформирующий инстру-
мент; 2 — заготовка
Рис. 2.24. Шестерня
с накатанными зубь-
ями
ной резьбы. Мелкую резьбу на-
катывают в механических цехах
плоскими плашками или ролика-
ми на резьбонакатных станках.
Штучная накатка зубчатых ко-
лес универсальна и при использо-
вании соответствующей оснастки
позволяет изготовлять цилиндри-
ческие и конические колеса с зу-
бьями прямыми и спиральными
(рис. 2.24).
Цилиндрические зубчатые ко-
леса диаметром менее 150 мм при
модуле не более 3 мм рациональ-
нее обрабатывать стопками. На
таком же принципе основано из-
готовление зубьев шестерен непо-
средственно из прутка. Зубья на-
носятся накаткой на поверхность
прутка, который в дальнейшем
режется на мерные заготовки по
высоте; механической обработкой
изготавливают отверстия. Накат-
кой можно получать зубья моду-
лем 15-8 мм на колесах диамет-
ром до 600 мм. Особенно выгодно получать зубья накаткой
для крупномодульных шестерен, когда достигают значитель-
ной экономии металла.
Предварительная механическая обработка перед накат-
кой заключается в обработке посадочного отверстия, тор-
цов и наружного диаметра, что позволяет получить про-
филь накатанного зуба по всем размерам
с точностью по 8-му квалитету с пара-
метром шероховатости поверхности Rz =
- 6,3 -е- 0,8 мкм. На полученных накаткой
зубьях, окончательные размеры которых
должны соответствовать 6-му квалите-
ту, предусматривают припуск (на после-
дующее шлифование или шевингование)
по 0,2-0,25 мм на сторону.
Применение пластического деформи-
рования (накатки) вместо механической
обработки дает значительное снижение
трудоемкости изготовления зубчатых ко-
128
лес, так как производительность накатки выше зубонаре-
зывания в 40-50 раз. Например, использование одного ста-
на даст возможность заменить примерно 80 единиц зубо-
резного оборудования и высвободить до 70 станочников.
Благоприятное расположение волокон после накатки по-
вышает механические характеристики зубчатых колес, в част-
ности, их износоустойчивость увеличивается на 50-70 %.
Стоимость колес с накатанными зубьями получается ниже
стоимости фрезерованных примерно на 15-20 %. При этом
можно рассчитывать, что освоение накатки заготовок без
предварительной обработки снизит трудоемкость их изго-
товления на 40-45 %, тем самым снижая стоимость зубча-
тых колес, и расширит область применения этого способа.
Калибровка относится к отделочным операциям обработ-
ки металлов давлением (рис. 2.25).
Цель калибровки — повышение точности размеров всей
поковки или отдельных ее участков. При калибровке до-
стигают улучшения качества поверхности и снижения ко-
лебаний массы поковки. Калибровку целесообразно приме-
нять в крупносерийном и массовом производствах для сни-
жения, а в некоторых случаях и для полного устранения
механической обработки. Точность и чистота поверхностей
поковок, подвергаемых калибровке, не ниже, чем фрезеро-
ванных, а иногда и шлифованных деталей. Кроме того, пос-
ле калибровки возможно повышение механических свойств
и стойкости деталей при эксплуатации за счет наклепа.
По технологическим признакам калибровку можно раз-
делить на плоскостную, объемную и комбинированную [17].
Плоскостная калибровка (чеканка) служит для получе-
ния точных вертикальных размеров на одном или несколь-
ких участках поковки, ограниченных горизонтальными
плоскостями (рис. 2.25, а). Плоскостная калибровка произ-
водится в холодном состо-
янии на специальных че-
каночных кривошипно-
коленных прессах.
Для получения положи-
тельных результатов ка-
либруемые поковки долж-
ны удовлетворять следую-
щим требованиям: под
калибровку должен быть
предусмотрен припуск; для
низких поковок (до 10 мм)
Рис. 2.25. Схемы калибровки: а — плос-
костная; б — объемная:
1 — поковка; 2, 3 — элементы штампа
129
номинальный припуск на размер рекомендуют 0,3-0,6 мм
в зависимости от диаметра или ширины обжимаемого участ-
ка; с увеличением толщины поковки припуск увеличивается
примерно до 0,5-1,0 мм.
Допуски на размеры поковок под калибровку рекомен-
дуют от + (0,3 -г- 0,4) до + (0,8 -г-1,0) мм соответственно при-
веденным ранее предельным значениям номинальных при-
пусков. Припуски и допуски для плоскостной чеканки пре-
дусмотрены ГОСТ 75050-74*: точность поковок после штам-
повки должна быть повышенной; горизонтальные размеры
поковок, подлежащих калибровке, следует назначать мень-
ше номинальных, чтобы компенсировать их увеличение пос-
ле калибровки.
По точности получаемых размеров поковок после ка-
либровки различают грубую калибровку с допуском
± (0,1 -* 0,25) мм, повышенной точности с допуском
± (0,05 -ь 0,1) мм и после двукратной калибровки — высокую
точность с допуском ±0,025 мм. Параметр шероховатости
поверхности Rz после калибровки достигает 6,3 -*-1,6 мкм,
т. е. он такой же, как при шлифовании.
Объемная калибровка служит для уточнения размеров
поковки в разных направлениях, а при выдавливании не-
которого излишка металла в заусенец — и для получения
точной массы. Точность объемной калибровки ниже, чем
плоскостной.
Можно обрабатывать поковки как в холодном, так и
в горячем состоянии (рис. 2.25, б).
Комбинированная калибровка является сочетанием опе-
раций объемной и плоскостной. В начале обработки в ре-
зультате объемной калибровки поверхности поковок стано-
вятся гладкими, далее отдельные плоские элементы поко-
вок подвергают плоскостной чеканке для получения точ-
ных размеров между соответствующими плоскостями.
Следует отметить, что при применении таких операций,
как калибровка, раскатка, накатка зубьев, отделочная валь-
цовка, можно всегда значительно снизить объем механи-
ческой обработки, уменьшить себестоимость продукции, по-
высить производительность труда и качество получаемой
продукции.
Листовая штамповка — это один из видов холодной об-
работки металлов давлением, при котором листовой мате-
риал деформируется в холодном или подогретом состоянии.
Листовой штамповкой изготовляют: мелкие детали ча-
сов и приборов; детали средних размеров, металлическую
130
посуду, металлические консервные банки, части велосипе-
дов и мотоциклов, различные заглушки, крышки, крон-
штейны, диски; крупные облицовочные детали автомоби-
лей, автобусов, тракторов — кузова, крылья, двери, кры-
ши, детали корпусов самолетов и вагонов; очень крупные и
тяжелые толстолистовые детали — днища паровых котлов
и резервуаров, детали корпусов морских судов и т. д.
Сваривая листовые штампованные детали, создают слож-
ные и ответственные части машин, например штампосвар-
ные станины прессов и металлорежущих станков, сложные
штампосварные кузова автомобилей, части аппаратов хи-
мического производства, речных и морских судов.
Основные преимущества листовой штамповки:
• возможность изготовления прочных, легких и жестких
тонкостенных деталей или изделий простой и сложной фор-
мы, получить которые другими способами невозможно или
затруднительно;
• высокая производительность и экономное расходование
металла;
• широкие возможности автоматизации и роботизации
производственных процессов;
• взаимозаменяемость деталей и высокая чистота поверх-
ности.
По сравнению с горячей штамповкой холодная листовая
штамповка имеет следующие преимущества: нет операции
нагрева металла, поверхностный слой металла не окисляет-
ся, изделия получаются более точными по размерам и с мень-
шей шероховатостью поверхности.
По сравнению с обработкой резанием холодная штампов-
ка позволяет сократить расход материала, так как матери-
ал не отделяется в стружку, снизить трудоемкость изготов-
ления деталей и повысить производительность труда. Одно-
временно холодная обработка давлением обеспечивает уп-
рочнение обрабатываемого материала, что позволяет делать
детали более легкими. Эти же преимущества позволяют за-
менять литые детали штампованными. Кроме того, преиму-
щество холодной штамповки по сравнению с литьем заклю-
чается в том, что холодноштампованные изделия почти не
требуют механической обработки.
Операции листовой штамповки подразделяют: на разде-
лительные, когда одна часть металла отделяется от другой;
формоизменяющие, при которых без разрушения заготовок
изменяется их форма; комбинированные (сочетаются раз-
делительные и формоизменяющие переходы обработки);
131
штампосборочные, при которых механически соединяют
отдельные листовые штампованные детали.
Технологические процессы листовой штамповки могут
быть рациональными лишь при условии создания техноло-
гичной конструкции или формы детали, допускающей наи-
более простое и экономичное изготовление. Поэтому техно-
логичность листоштампованных деталей является наиболее
важной предпосылкой прогрессивности технологических
процессов и экономичности производства.
При мелкосерийном производстве на себестоимость про-
дукции большое влияние оказывает стоимость штампа.
Поэтому экономически целесообразно применять штампов-
ку в универсальных штампах со сменными пуансонами и
матрицами. В этом случае технологический процесс рас-
членяют на ряд отдельных простых операций. Для оснаще-
ния штампов изготовляют только относительно простые
пуансоны и матрицы. Это позволяет осуществлять штам-
повку с малыми затратами на оснастку.
К разделительным операциям листовой штамповки от-
носятся: отрезка, разрезка, обрезка, надрезка, вырубка,
пробивка, проколка, зачистка.
В разделительных операциях листовой штамповки отде-
ление одной части заготовки от другой осуществляется от-
носительным смещением этих частей в направлении, пер-
Рис. 2.26. Схема вырубки
пендикулярном к плоскости заго-
товки. Это смещение в начальных
стадиях характеризуется пласти-
ческим деформированием, но за-
вершается обязательно разрушени-
ем. Для уменьшения искажений
заготовки, вызываемых пластиче-
скими деформациями, стремятся
локализовать очаг деформации,
чему способствуют уменьшение
радиусов округления рабочих кро-
мок инструмента, уменьшение за-
зора между пуансоном и матри-
цей, а также применение специ-
альных разделительных операций.
Обычная вырубка и пробивка
листового материала дают неров-
ную, слегка криволинейную и
шероховатую поверхность среза
(рис. 2.26).
132
Рис. 2.27. Схемы процессов вырубки: а — обычной; б — пуансоном
больше матрицы; в — точной с клиновым прижимом
В ряде случаев изготовления штампованных деталей по-
вышенной точности требуется гладкая и перпендикуляр-
ная поверхность среза с параметром шероховатости поверх-
ности 7?z = 3,2-s-1,6 мкм. В таких случаях применяют спо-
собы чистой вырубки, имеющие значительные преимуще-
ства по сравнению с механической обработкой резанием и
дающие гладкую полированную поверхность среза, перпен-
дикулярную к поверхности изделия, при повышенной точ-
ности изготовления.
Сущность этих способов заключается или в применении
матрицы с закругленными режущими кромками (рис. 2.27, а),
или в применении пуансона больше матрицы (рис. 2.27,6),
или в применении прижима, имеющего клиновидное ребро
(рис. 2.27, в). Последний способ является новым, более про-
грессивным.
В результате смещения некоторого объема металла кли-
новым ребром в сторону пуансона в зоне реза создается на-
пряженное состояние объемного сжатия, которое способству-
ет устойчивости пластической деформации и увеличивает
пластические свойства материала заготовки. Этот способ при-
меняется для изготовления деталей точного приборострое-
ния толщиной 1,5-15 мм. Параметр шероховатости поверх-
ности среза Rz = 3,2 -*-1,6 мкм.
Раскрой листового металла на штучные заготовки и поло-
сы является первой операцией, связанной с потерями метал-
ла в виде обрезков и неиспользуемых отходов (рис. 2.28).
В то же время экономия металла и уменьшение отходов
Рис. 2.28. Схемы некоторых видов раскроя листового материала
133
в холодной листовой штамповке имеют весьма важное зна-
чение, особенно в крупносерийном и массовом производствах,
так как при больших масштабах производства даже незна-
чительная экономия материала на одном изделии в итоге
дает значительный экономический эффект.
При листовой штамповке экономия металла может быть
получена: наиболее целесообразным раскроем листов на
штучные заготовки или полосы с наименьшими отходами;
экономным раскроем полос и расположением вырубаемых
деталей на полосе; уменьшением потерь металла на пере-
мычки; применением так называемого безотходного и ма-
лоотходного раскроя; повышением точности расчета разме-
ров заготовок и уменьшением припусков на обрезку; ис-
пользованием отходов для изготовления других деталей;
предупреждением появления брака штампуемых деталей.
Различные способы раскроя полосового материала по
экономичности и технологическим отходам разделяют на
три вида: раскрой с отходами, малоотходный и безотход-
ный раскрои.
Оценку экономичности того или иного типа раскроя про-
изводят посредством определения коэффициента раскроя
- fonp
р Bh
(2.1)
где Fq — площадь поверхности детали, м2; h — шаг выруб-
ки, м; В — ширина полосы, м; Np — число рядов раскроя.
При штамповке из полосы или ленты коэффициент рас-
кроя определяют по формуле
. _ FN
Р “ LB
(2.2)
где F — площадь детали, м2; N — число фактических дета-
лей, получаемых из полосы; L — длина полосы или лен-
ты, м; В — ширина полосы или ленты, м.
Если в операциях разделения листового материала стре-
мятся к максимальной локализации очага деформации, то
при формоизменяющих операциях сосредоточение дефор-
мации в одном месте недопустимо, так как формоизменяю-
щие операции осуществляются без разрушения материала.
При формоизменяющих операциях стремятся получить
заданную деформацию, чтобы заготовка приобрела требуе-
мую форму. Если этого не удается достичь за один ход прес-
134
Рис. 2.29. Схема вытяжки ли-
стового материала
са, технологический процесс раз-
бивают на переходы, число кото-
рых зависит от сложности дета-
ли, материала заготовки, приме-
няемого оборудования.
Наиболее полно классифика-
ция формоизменяющих операций
листовой штамповки представле-
на в работе [40]. Здесь же рассмот-
рим основные из них.
При проектировании технологи-
ческих процессов, в которых при-
меняются операции гибки, техно-
логам приходится определять раз-
меры заготовки, минимальные
радиусы изгиба, углы пружине-
ния, условия гибки без калибров-
ки, с калибровкой.
Вытяжка является основной из формоизменяющих опера-
ций. Вытяжку изделий из тонколистового материала в боль-
шинстве случаев производят в холодном состоянии (рис. 2.29).
Вытяжку из толстолистового материала, а также из мало-
пластичных металлов осуществляют с подогревом заготовок.
По характеру деформации различают:
1) вытяжку без утонения стенок;
2) вытяжку с утонением.
В первом случае вытяжка происходит без заранее обус-
ловленного изменения толщины материала стенок изделий:
во втором случае вытяжка осуществляется за счет измене-
ния поперечного сечения: уменьшения диаметра и толщи-
ны стенок изделия.
Основным рабочим инструментом для вытяжки являют-
ся матрица и цилиндрический пуансон. При опускании
пуансона плоский кружок-заготовка вытягивается, протал-
кивается пуансоном через матрицу и превращается в по-
лый цилиндр. Различают три основных способа вытяжки.
1. Вытяжка полых деталей путем превращения плоского
фланца в цилиндрическую или коробчатую форму при со-
здании во фланце плоского напряженного состояния. К ней
относится вытяжка цилиндрических, овальных, коробча-
тых и других деталей с вертикальными или слегка наклон-
ными стенками.
2. Вытяжка сферических, криволинейных и сложной
формы деталей в штампах с вытяжными ребрами. В этом
135
случае под прижимом преобладают растягивающие напря-
жения и деформации, а в остальной части деформируемой
заготовки возникает напряженное состояние двухосного
растяжения.
3. Вытяжка эластичной матрицей и фрикционная вы-
тяжка, создающие заталкивание заготовки, в результате чего
снижаются растягивающие напряжения в очаге деформа-
ции и облегчается процесс вытяжки.
При первом способе вытяжки наиболее благоприятные ус-
ловия деформирования заключаются в максимально возмож-
ном уменьшении сопротивления плоского фланца деформи-
рованию. Этого достигают путем применения металла пони-
женной прочности, отжигом заготовки, нагревом фланца,
вытяжкой без прижима, эффективным смазыванием. В ре-
зультате снижаются растягивающие напряжения в опасном
сечении, улучшается условие прочности этого сечения и ста-
новится возможной более глубокая вытяжка.
При втором способе вытяжки в штампах с вытяжными
ребрами значительная часть заготовки вначале находится вне
контакта с рабочими частями штампа и легко образует гоф-
ры и морщины. Для их предотвращения приходится созда-
вать повышенные радиальные растягивающие напряжения
и искусственно увеличивать сопротивление деформируемого
металла путем перетягивания его через вытяжные ребра. При
этом значительно возрастают растягивающие напряжения
в опасном сечении и ухудшается условие его прочности. Для
того чтобы в данном случае создать благоприятные условия
деформирования и избежать разрыва, надо обеспечить усло-
вие прочности опасного сечения. Это возможно лишь при
применении металла повышенных прочности и упрочняемо-
сти при высокой пластичности.
Третий способ вытяжки обладает наиболее благоприят-
ными условиями деформирования, так как в этом случае
прочность опасного сечения позволяет получить значитель-
ную степень деформации.
Таким образом, для рассмотренных способов вытяжки
необходимо выбирать металл с различными механически-
ми свойствами или в различном состоянии: при первом спо-
собе вытяжки — с повышенной пластичностью при пони-
женной прочности (стали 08-10 в отожженном состоянии
или нормализованном состоянии с дрессировкой); при вто-
ром — с повышенной прочностью при высокой пластичнос-
ти (стали 08-10, 12Х18Н9Т); при третьем — применением
металла без повышенных механических свойств.
136
Вытяжка характеризуется коэффициентом вытяжки,
который определяется по формуле
К = (2.3)
Чз
где Ри — диаметр получаемого изделия или полуфабрика-
та, м; £>з — диаметр заготовки, м.
Коэффициенты вытяжки должны быть разными для де-
талей различной геометрической формы, а также для раз-
личной относительной толщины материала, от которой за-
висит большая или меньшая степень устойчивости фланца
заготовки.
Оптимальные значения коэффициентов вытяжки цилин-
дрических деталей без фланца зависят от относительной
толщины заготовки. Для сталей 0,8, ЮГ, 15, мягкой лату-
ни, отожженного алюминия и аналогичных им сплавов зна-
чения К приведены в табл. 2.23.
Обычные способы вытяжки широко применяют почти во
всех отраслях промышленности. Однако в ряде случаев про-
изводства они недостаточно рациональны и эффективны.
Например, не всегда приемлема многооперационность вы-
тяжки деталей сложной формы, для которых требуется боль-
шое число штампов. В результате работ по дальнейшему
улучшению и интенсификации глубокой вытяжки созданы
и освоены особые способы вытяжки.
Обратная вытяжка (с выворачиванием) — это объедине-
ние двух или более операций вытяжки, выполняемых за
один рабочий ход (рис. 2.30). При этом каждая последую-
щая вытяжка осуществляется в направлении, обратном
предыдущему. Обратную вытяжку применяют в целях со-
кращения количества штамповочных операций.
Таблица 2.23
Коэффициент вытяжки цилиндрических деталей без фланца
Номер пере- хода Значения К при относительной толщине заготовки S/D, %
2,00-1,50 1,50-1,00 1,00-0,50 0,50-0,20 0,20-0,06
1 0,46-0,50 0,50-0,53 0,53-0,56 0,56-0,58 0,58-0,60
2 0,70-0,72 0,72-0,74 0,74-0,76 0,76-0,78 0,78-0,80
3 0,72-0,74 0,74-0,76 0,76-0,78 0,78-0,80 0,80-0,82
4 0,74-0,76 0,76-0,78 0,78-0,80 0,80-0,82 0,82-0,84
137
Последовательную вытяжку в лен-
те (рис. 2.31) применяют при изготов-
лении полых деталей и осуществляют
на многопозиционных штампах. Для
предотвращения разрывов ленты коэф-
фициент вытяжки принимают несколь-
ко большим, чем при обычной вытяж-
ке. Так, в случае вытяжки деталей из
низкоуглеродистых сталей и латуней
для первой операции коэффициент
вытяжки берут равным 0,68-0,72,
а для второй операции — 0,80-0,85.
Этот способ значительно повышает про-
Рис. 2.30. Схема вытяж- изводительность штамповки.
ки с выворачиванием Вытяжку с утонением (рис. 2.32)
применяют для изготовления тонко-
стенных деталей, при этом длина вытягиваемой детали уве-
личивается за счет уменьшения толщины стенок.
Обычно утонение стенок за один проход не превышает
30-35 % начальной толщины, что обеспечивается соответ-
ствующим выбором зазора между пуансоном и матрицей.
При вытяжке с утонением толщина дна изделия не изменя-
ется. Эту операцию можно осуществлять в нескольких мат-
рицах, расположенных последовательно одна за другой.
Вытяжку резиной (рис. 2.33) выполняют резиновой по-
душкой (пуансоном) в жесткой матрице или жестким пуан-
соном в резиновой матрице. Оба способа применяют для по-
лучения полых деталей из тонколистового материала. Рези-
новую подушку заключают в металлическую обойму. Штам-
пы для вытяжки резиной просты, так как изготовлять нужно
лишь один деформирующий элемент (пуансон или матри-
цу), другой заменяется резиной. Необходимость создания вы-
соких удельных давлений и быстрое изнашивание резины
138
ограничивают область
применения этого спо-
соба. Он применяется
в основном в услови-
ях мелкосерийного и
индивидуального про-
изводств.
При гидравлической
вытяжке (рис. 2.34)
полые детали цилин-
Рис. 2.32. Схема вытяжки с утонением
дрической, кониче-
ской, сферической или другой формы получают надавлива-
нием на заготовку непосредственно жидкостью или жидко-
стью, заключенной в эластичную (резиновую) оболочку.
Этот способ особенно эффективен при изготовлении дета-
лей сложной формы, так как при гидравлической вытяжке
отпадает необходимость в изготовлении металлического пу-
ансона и пригонки его к матрице. Недостаток гидравличе-
ской вытяжки — это возможность значительного утонения
металла в отдельных зонах, так как большие силы трения
между заготовкой и матрицей приводят к возникновению
больших растягивающих напряжений.
Отбортовку подразделяют на два основных вида (рис. 2.35):
отбортовка отверстий — образование бортов вокруг предвари-
тельно пробитых отверстий; отбортовка наружного контура —
образование невысоких бортов по наружному криволинейно-
му краю заготовок.
Отбортовку отверстий широко используют в штамповочном
производстве, заменяя операции вытяжки, с последующей вы-
Рис. 2.33. Схема вытяж-
ки резиновой подушкой
(пуансоном):
1 — контейнер с резиной; 2 —
заготовка; 3 — матрица
Рис. 2.34. Схема гидравлической
вытяжки
139
рубкой дна. Особенно большую эффектив-
ность дает применение отбортовки отвер-
стий при изготовлении деталей с большим
фланцем, когда вытяжка затруднительна
и требует нескольких переходов.
Геометрические размеры отбортовки
определяют исходя из равенства объемов
заготовки и детали. Обычно высота бор-
Рис. 2.35. Схема от- та бывает задана чертежом детали.
бортовки Отбортовку лучше производить при
большом зазоре между пуансоном и
матрицей или при значительно увеличенном радиусе за-
кругления матрицы. Такая отбортовка характеризуется боль-
шим радиусом закругления, но малой цилиндрической ча-
стью борта; ее применяют для увеличения жесткости кон-
струкции при малой ее массе (например, при отбортовке
крупных отверстий и окон в авиационных, транспортных,
судостроительных конструкциях).
Отбортовку с малым радиусом закруглений и большой
цилиндрической частью борта можно применять лишь при
отбортовке небольших отверстий под резьбу, запрессовке
осей или когда конструктивно необходимо иметь цилинд-
рические отбортованные отверстия.
Успешное выполнение отбортовки зависит от чистоты среза
деформируемой кромки. При наличии заусенцев по краю
отверстия неизбежно образование трещин и разрывов.
Степень деформации при отбортовке отверстий опреде-
ляют соотношением между диаметром отверстия D в заго-
товке и диаметром борта d, или так называемым коэффи-
циентом отбортовки Ко = d/D.
Величина KQ зависит от вида и свойств материала и от-
ношения толщины заготовки S к диаметру пробитого от-
верстия (D = 100 S/d). Для стали с содержанием углерода
0,1 % при D, равном от 3 до 9, Ко - 0,60 + 0,45, а при D,
равном от 67 до 100, Ко = 0,23 + 0,20.
В различных отраслях промышлен-
ности (электро-, радиотехника, прибо-
ростроение) применяют штамповку де-
талей, имеющих отверстия с высокими
цилиндрическими стенками. В данном
случае применяют операцию отбортов-
ки с утонением стенок (рис. 2.36), так
как при простой отбортовке для образо-
вания высокого цилиндрического борта
wl ww/MWi
Рис. 2.36. Схема от-
бортовки с утонением
140
не хватало бы площади заготовки. При этом обычно дости-
гают значительной экономии металла.
Отбортовка с заданным утонением материала является бо-
лее целесообразной вследствие большей устойчивости плас-
тической деформации металла и отсутствия разрыва и тре-
щин, так как в процессе утонения возникает более благопри-
ятное напряженное состояние за счет появления значитель-
ных сжимающих напряжений. Это позволяет вести отбортовку
при смягченных «неопасных» коэффициентах отбортовки,
а высоту борта получить за счет максимально допустимого
утонения материала. Производственный опыт показывает воз-
можность утонения за одну операцию до S = (2,0 2,5) Sp
где Sj — толщина материала в отбортованной части.
В некоторых неответственных случаях допускается изго-
товление рваного борта путем проколки материала гвозде-
образным пуансоном. Этот способ отбортовки применяют
для соединения деталей из тонкого материала (до 0,6 мм)
взамен соединения заклепками, а также для получения от-
верстий с загнутыми кромками.
Последние десятилетия характеризуются быстрым разви-
тием производства крупногабаритных машин и механизмов.
Изготовление элементов конструкций размерами 3-10 м по-
требовало создания новых беспрессовых методов штамповки
ввиду ограниченных возможностей механических и гидрав-
лических прессов.
В качестве таких методов были созданы и применены на
практике высокоэнергетические методы формообразования
под действием импульсных нагрузок [40], создаваемых дей-
ствием взрыва брезантных взрывчатых веществ, газовых
смесей, давлением испаряющихся сжиженных газов, высо-
ковольтным электрическим разрядом в жидкости, мощны-
ми импульсами магнитного поля.
Особенностью высокоэнергетических импульсных мето-
дов штамповки является высокая скорость деформирова-
ния в соответствии с высокими скоростями преобразования
энергии. Поэтому высокоэнергетические методы штампов-
ки именуются высокоскоростными методами. Они получи-
ли преимущественное применение при изготовлении круп-
ногабаритных деталей типа днищ, полусфер, оболочек и т. п.,
изготовляемых малыми сериями, при которых использова-
ние прессов и штампов становится технически нецелесооб-
разным и экономически невыгодным.
Импульсные методы обработки металлов применяют
в самых разнообразных процессах штамповки: при вытяж-
141
ке, листовой формовке, формоизменении трубчатых загото-
вок, вырубке и пробивке отверстий, резке труб и проката,
объемной штамповке, калибровке и поверхностном упроч-
нении металла, прессовании, сварке разнообразных метал-
лов, запрессовке и развальцовке труб, различных сбороч-
ных операциях.
Взрывная штамповка основана на деформации заготов-
ки давлением ударной волны, образующейся при взрыве
брезантных взрывчатых веществ (ВВ), при этом время де-
формации детали исчисляется миллисекундами.
Взрывная штамповка получила преимущественное при-
менение для обработки наиболее крупных деталей (1,5-8 м)
при толщине материала свыше 2 мм. Достоинством ее яв-
ляется высокая экономическая эффективность в результате
резкого снижения капитальных затрат и сокращения сро-
ков и стоимости подготовки производства. Другим преиму-
ществом является возможность штамповки деталей из вы-
сокопрочных сплавов.
В зависимости от размеров и формы штампуемых деталей
взрывная штамповка осуществляется: при больших габарит-
ных размерах деталей — штамповкой в бассейнах с водой
или бронекамерах; при штамповке небольших деталей —
штамповкой в наземных установках.
Наряду со взрывной штамповкой получил применение
способ формовки высоковольтным электрическим разрядом
в воде. Энергия, необходимая для электрического разряда,
накапливается в высоковольтной конденсаторной батарее
(35-40 кВ). Накопленная энергия (от 30 до 120 кДж) созда-
ет между электродами мгновенный разряд длительностью
4 • 10-6 с, что приводит к мгновенному испарению некото-
рого объема воды и расширению образовавшегося пара, вы-
зывающего ударную волну в жидкости, в результате чего
происходит деформация заготовки.
Электрогидравлическая штамповка имеет ряд преиму-
ществ перед взрывной штамповкой:
1) лучшую управляемость процессом за счет варьирова-
ния количества импульсов и месторасположения разряд-
ных контуров:
2) возможность изменения энергии и осуществления мно-
гократного разрядного импульса;
3) размещение электрогидравлических установок в про-
изводственных помещениях.
Электрогидравлической штамповкой осуществляют вытяж-
ку, листовую формовку, отбортовку, растяжку полых дета-
142
Рис. 2.37. Детали, получаемые
электрогидравлической штам-
повкой
лей, пробивку отверстий, разваль-
цовку труб и т. п. (рис. 2.37). Наи-
более перспективно применение
электрогидроимпульсной штам-
повки для изготовления круп-
ногабаритных деталей размерами
от 400x400 до 1300x1800 мм.
Электрогидравлической обра-
ботке подвергаются различные,
в том числе труднодеформируе-
мые металлы и сплавы.
Установки для штамповки
высоковольтным электрическим
разрядом состоят из источника
питания, включая высоковольт-
ный трансформатор с выпрями-
тельным устройством, конденса-
торной батареи, разрядника и технологической установки,
состоящей из матрицы, прижимного устройства электро-
дов, вакуум-насоса.
Магнитно-импульсная штамповка (МИШ) характери-
зуется тем, что давление на деформируемую металличе-
скую заготовку создается непосредственным воздействием
импульсного магнитного поля, без участия промежуточных
твердых, жидких или газообразных тел. Это позволяет
штамповать детали из полированных и лакированных за-
готовок без повреждения поверхности, а также деформи-
ровать заготовки, заключенные в герметическую пластмас-
совую оболочку.
МИШ основана на мгновенном разряде электроэнергии,
накопленной в конденсаторной батарее, через соответству-
ющий индуктор, являющийся рабочим органом. При этом
в цепи индуктора протекает импульс тока, а в окружаю-
щем индуктор пространстве возникает импульсное магнит-
ное поле высокой напряженности. Это магнитное поле ин-
дуцирует вихревые токи противоположного направления в
металлической заготовке, помещенной вблизи индуктора.
При взаимодействии мощного поля индуктора с индуци-
рованным в заготовке током и его магнитным полем возни-
кают электромеханические силы взаимодействия, стремящи-
еся оттолкнуть заготовку от индуктора и вызывающие ее
деформацию. МИШ получила широкое применение в про-
мышленности при выполнении различных операций листо-
вой штамповки: вытяжки, вырубки, пробивки отверстий,
143
отбортовки, развальцовки труб, запрессовки штуцеров, об-
жатия труб и наконечников на тросах, сборки трубчатых
деталей с оправками и т. п.
Этот способ имеет ряд преимуществ перед другими высо-
коэнергетическими методами: повышенную точность штам-
пуемых деталей; сравнительно высокую производительность
процесса; возможность точного дозирования мощности им-
пульсного разряда путем применения конденсаторов раз-
личной емкости, автоматизации и встраивания магнитно-
импульсных установок в производственный процесс; воз-
можность выполнения сборочных операций, а также дефор-
мирования заготовок за несколько разрядных импульсов,
причем первые импульсы служат для разогрева заготовки
и повышения ее пластических свойств.
Магнитно-импульсные установки конструктивно просты,
не имеют движущихся и трущихся частей и поэтому на-
дежны в эксплуатации.
Холодная штамповка, применявшаяся вначале только
в крупносерийном и массовом производствах, в настоящее
время получила широкое распространение в мелкосерий-
ном производстве, в серийном производстве с неустойчи-
вой, часто изменяющейся номенклатурой деталей и даже
при изготовлении опытных деталей. Это стало возможным
в результате применения универсальных или простых и
дешевых штампов и внедрения штамповки по элементам.
Внедрение холодной штамповки в мелкосерийном про-
изводстве взамен малопроизводительной ручной обработки
приводит к значительному экономическому эффекту, за-
ключающемуся в резком снижении трудоемкости по срав-
нению с ручной обработкой деталей, в уменьшении рас-
хода материала и снижении массы штампуемых деталей и
увеличении производительности и снижении себестоимос-
ти деталей.
В мелкосерийном производстве получили применение
следующие процессы листовой штамповки:
1) на универсальных переналаживаемых штампах, пред-
назначенных для изготовления подобных однотипных дета-
лей разных размеров;
2) по элементам на универсальных быстропереналажива-
емых штампах;
3) на координатно-револьверных пробивных прессах;
4) на прорезных прессах и обрабатывающих центрах;
5) на универсально-сборных штампах;
6) полиуретаном.
144
Таблица 2.24
Применение разделительных штампов
в зависимости от характера производства
Штампы Уровень стоимости Выпуск штамповок, шт.
Универсально-переналаживаемые для поэлементной штамповки Высокий От 5-20 до 10 000
Универсально-сборные Высокий 20-2500
Листовые пинцетные Весьма низкий 50-500
С полиуретановой матрицей Низкий 10-20 000
Сменные пакетные к универсаль- ным блокам: простого типа Средний 1000-20 000
последовательного и совмещен- ного типов Повышенный 5000-50 000
Специальные штампы Высокий 10 000-100 000
В табл. 2.24 приведена сравнительная характеристика
применяемости разделительных штампов в условиях серий-
ного и мелкосерийного производств.
Универсальные штампы давно и широко применяются
в серийном и мелкосерийном производствах и предназначе-
ны для отрезки, пробивки, надрезки, обрезки и гибки дета-
лей, различающихся своими размерами. На этих штампах
изготовляют детали из полосы, ленты, прутка и профиль-
ных заготовок [Ю].
Штамповка по элементам разработана заслуженным изоб-
ретателем РСФСР В. М. Богдановым [7], заключается в том,
что контур штампуемой детали расчленяется на простей-
шие элементы (прямые участки, закругления, пазы, скосы,
отверстия и т. п.), выполняемые на заготовке последователь-
но при помощи набора различных штампов, каждый из
которых может штамповать один или группу элементов
контура (рис. 2.38).
В мелкосерийном производстве штамповка по элементам
универсальными штампами позволяет отказаться от изго-
товления ряда специальных штампов, что дает большую
экономию и значительно сокращает сроки подготовки про-
изводства. В случае изменения размеров деталей вместо пе-
ределки штампов требуется лишь переналадка универсаль-
ных штампов.
145
Рис. 2.38. Схема штамповки де-
талей по элементам
При листовой штамповке
в условиях мелкосерийного про-
изводства осуществляется штам-
повка на координатно-револь-
верных пробивных прессах
деталей типа плат, панелей,
шасси приемников с большим
числом отверстий и пазов раз-
ных форм и размеров. Изготов-
ление таких деталей на коорди-
натно-револьверных пробивных
прессах заключается в последо-
вательной штамповке отверстий
или других элементов при по-
мощи набора сменных штампов,
устанавливаемых в револьвер-
ной головке пресса.
Обрабатываемая заготовка подается на рабочую позицию
при помощи координатного устройства, управляемого вруч-
ную или автоматически при помощи программного управ-
ления. Координатно-револьверный пресс позволяет штам-
повать не только отверстия, но и наружные элементы лис-
товых деталей: пазы, срезы, закругления, ребра жесткости,
жалюзи, а также неглубокую отбортовку.
Гибка на многопарновалковых профилировочных маши-
нах — один из перспективных процессов получения гнутых
изделий из листовых материалов (рис. 2.39).
Рис. 2.39. Многопар-
нороликовая профи-
легибочная машина
146
Профилирование на профилегибочных
станах заключается в последовательном
изменении формы поперечного сечения
полосы (ленты, листа) при прохождении
ее через ряд вращающихся навстречу
друг другу пар горизонтальных и холос-
тых вертикальных валков (роликов). При
этом происходит деформация изгиба ме-
талла в холодном состоянии.
Площадь поперечного сечения исход-
ной заготовки в процессе профилирова-
ния не изменяется. Вытяжке металл прак-
тически не подвергается. Получение про-
филя с необходимой сложной формой се-
чения обеспечивается путем постепенной
подгибки частей исходной полосы в каж-
дой паре валков (рис. 2.40). При этом
подгибка происходит не сразу в каждой
паре валков, а постепенно, на некотором
участке плавного перехода — очаге де-
формации, находящемся перед валками.
Производство гнутых профилей мето-
дом профилирования полосового, ленточ-
ного и листового металла и применение
этих профилей в промышленности и стро-
гие. 2.40. Схема ка-
либровки профиля
ительстве имеют ряд преимуществ.
1. Метод гибки в валках дает возможность получать фа-
сонные профили с наиболее рациональным распределением
металла по сечению и в связи с этим с максимальной жест-
костью и прочностью их при минимальном расходе металла.
Применение гнутых профилей в различных отраслях
народного хозяйства обеспечивает от 10 до 75 %, а в сред-
нем 25 % экономии металла.
Задача уменьшения расхода металла без уменьшения
прочности конструкции является одной из важнейших при
разработке проектов новых типов машин и сооружений и
требует от конструкторов более широкой разработки и при-
менения новых видов экономичных профилей специально-
го назначения.
Горячая прокатка часто ограничивает, а иногда и вовсе
не дает возможности получить необходимые и наиболее
выгодные с точки зрения прочности профили, а также про-
фили с тонкими стенками. Профилированием холодного
полосового, ленточного и листового металла можно изгото-
147
вить экономичные профили минимальной толщины и са-
мой различной сложной формы в поперечном сечении.
2. На профиле гибочных станах можно получить профи-
ли, которые дадут возможность создавать новые типы кон-
струкций, а также элементы металлических конструкций,
состоящих из одного профиля. Это обеспечит экономию
металла, а в процессе сборки резко сократится необходи-
мость в операциях сварки и клепки отдельных элементов.
3. Применение в различных конструкциях гнутых про-
филей с обычной формой сечения угольника, швеллера и
др., имеющих одинаковую толщину по всему сечению, об-
легчает выполнение технологических операций по сборке и
уменьшает затраты труда на монтаж этих конструкций. Го-
рячекатаные и штампованные профили имеют неодинако-
вую толщину (большую в углах и меньшую у кромок) и на-
ружные грани углов. Такая форма сечения усложняет изгиб
полос этих профилей, сварку и другие сборочные операции.
4. Изготовление ряда деталей профилированием устра-
няет значительные затраты на механическую обработку и
большие потери металла при изготовлении их другими спо-
собами. Коэффициент использования металла при профи-
лировании находится в пределах 99,5-99,8 %; брак при
профилировании в 3-5 раз меньше, чем при горячей про-
катке на сортовых станах.
5. Холодное профилирование металла сопровождается
наклепом, в результате которого предел текучести возрас-
тает. При соответствующей технологии профилирования
гнутые профили на 10-15% прочнее исходного металла. При
применении гнутых профилей это обстоятельство дает воз-
можность дополнительно снизить массу машин и металли-
ческих конструкций.
6. При профилировании может быть обеспечена значи-
тельно более высокая точность в размерах профилей, чем
при горячей прокатке. Так, профили малых размеров мо-
гут изготовляться в пределах 2-го класса точности. Точность
в размерах профилированных элементов обеспечивает их
взаимозаменяемость и возможность изготовления профилей,
соединяющихся между собой замками и другими типами
скользящих соединений сопряженных элементов.
7. Гнутые профили, изготовленные на профилегибочных
станах, не требуют последующей правки, так как при соот-
ветствующей настройке стана могут быть устранены изги-
бы полос в вертикальной и горизонтальной плоскостях,
а также скрученность их. В свою очередь, исходные заго-
148
товки толщиной до 4,5 мм перед профилированием не тре-
буют правки.
8. Гнутые профили из холоднокатаного листа и ленты
отличаются высоким качеством поверхности, что допуска-
ет полирование и декоративное покрытие их без дополни-
тельной обработки. Кроме того, профилирование позволяет
формовать профили из заготовок с предварительно обрабо-
танной поверхностью или поверхностью с покрытием без
нарушения ее качества. Высокое качество поверхности, хо-
роший внешний вид гнутых профилей обеспечили широкое
применение их для различных отделочных и декоративных
элементов в строительстве и машиностроении
Меньшее количество дефектов на поверхности гнутых про-
филей обеспечивает также большие коррозионную устойчи-
вость и конструкционную прочность. Такие дефекты, как
микроскопические трещины и царапины на поверхности,
способствуют развитию коррозии, а также концентрации
напряжений, развиваются в глубину и уменьшают срок служ-
бы детали или конструкции. С этой точки зрения гнутые
профили, изготовленные из горячекатаной, травленой или
холоднокатаной стали, являются более долговечными, чем
профили, изготовленные другими способами обработки.
9. Гнутые профили могут изготовляться из самых разно-
образных материалов: горячекатаной и холоднокатаной
листовой, ленточной и полосовой углеродистой, конструк-
ционной, легированной стали, титана, алюминия, меди,
цинка, латуни, бронзы, других металлов и сплавов, допус-
кающих холодную обработку, а также плакированных, би-
металлических материалов и специальных пластмасс. Про-
филировать можно металл толщиной от 0,1 до 20 мм и
шириной от 6 до 2000 мм.
10. Технологический процесс профилирования может вы-
полняться в одной непрерывной линии с другими производ-
ственными процессами, например с автоматической шовной
или точечной сваркой, пайкой, сшивкой частей, резкой ме-
талла на отдельные ленты и мерные длины, обрезкой и вы-
равниванием кромок на заготовках, получением различных
типов открытых или закрытых кромок на замкнутых профи-
лях, предварительной надрезкой полос перед профилирова-
нием, срезыванием полос на конус, штамповкой, пробивкой
отверстий, вырезкой, клеймением, рифлением, гофрирова-
нием, правкой, гибкой готового профиля по дуге, свертыва-
нием в бунты, плакированием, окрашиванием, травлением,
лужением, оцинкованием, хромированием и др.
149
11. Оборудование, необходимое для профилирования ме-
талла в валках, менее сложно, более просто в обслужива-
нии и дешевле в изготовлении, чем прокатное или прессо-
вое. Профилирование не требует ни нагрева металла, ни
оборудования для термообработки его до или после формов-
ки. Капиталовложения и эксплуатационные расходы при
профилировании значительно меньше, чем при других ви-
дах обработки.
12. Производство гнутых профилей на профилегибочных
станах является высокопроизводительным процессом с вы-
ходными скоростями готового профиля до 150-180 м/мин.
2.4. Специальные способы получения заготовок
Повышение эффективности производства за счет внедре-
ния прогрессивной технологии, обеспечивающей полное
использование средств труда, предметов труда и низкие
издержки производства, становится все более актуальной
проблемой. Научно обоснованный выбор наиболее рацио-
нального варианта получения заготовки связан с учетом
затрат общественного труда, специфики отраслей и пред-
приятий и технических требований к готовому продукту.
При этом особое внимание должно быть уделено определе-
нию экономической эффективности и рациональных облас-
тей применения прогрессивных технологических процессов,
оборудования, оптимизации общественных затрат, сроков
разработки и освоения новой технологии.
В связи с ростом объемов выпуска продукции машино-
строения важнейшей задачей является снижение до мини-
мума доли механической обработки в общей трудоемкости
изготовления машин на основе повышения точности заго-
товки, приближения их форм и размеров к готовым дета-
лям. Это обеспечивает не только снижение трудоемкости
производства машин, но и экономию металла, улучшает
качество деталей, повышает их эксплуатационную надеж-
ность и экономичность.
В производственном процессе изготовления машин наибо-
лее трудоемкой является механическая обработка, удельный
вес которой составляет, например, в тяжелом машинострое-
нии в среднем 12-15 %. Такое положение приводит к тому,
что отходы производства в виде стружки составляют 19,3 %
от общего потребления черных металлов [59]. Это вызвало
необходимость разработки и внедрения новых, материало-
150
сберегающих процессов получения заготовок с достаточно точ-
ными размерами и малой шероховатостью поверхности, тре-
бующих незначительной механической обработки или не
нуждающихся в ней.
По-прежнему наиболее эффективными способами литья
являются литье по выплавляемым моделям (экономия при
замене литья в разовые песчание формы — 12 %, при замене
металлопроката — до 70 %) и литье в оболочковые формы
(взамен литья в разовые песчаные формы — 6 %). Основной
резерв экономии материала и повышения эффективности
в литейном производстве заключен в широком внедрении ма-
шинных способов получения отливок. Так, при изготовле-
нии отливок вручную припуски на механическую обработку
составляют 30-40 % от их черновой массы, в то время как
применение современной техники позволяет сократить при-
пуски до 12-17 % [59].
Прогрессивным способом получения заготовок является
электрошлаковое литье, которое позволяет за счет приме-
нения кокиля снизить припуски на обработку, уменьшить
массу заготовок и, что особенно важно, улучшить их каче-
ство. Так, ведущие колеса промышленных тракторов ранее
изготавливали из поковок массой 1,7 т. Перевод их изго-
товления с ковки на электрошлаковое литье позволил сни-
зить допуски и припуски до минимальных и довести массу
заготовки до 0,45 т. Экономия металла при этом составила
1,25 т на каждую деталь, коэффициент использования ме-
талла составил 0,98, т. е. увеличился в четыре раза [59].
Электрошлаковое литье применяют вместо ковки из прока-
та в производстве деталей для энергетического оборудования
(арматуры, патрубков, крышек, фланцев, корпусов и др.).
В области производства поковок характерными направ-
лениями развития технологии для отраслей массового и
крупносерийного производств являются следующие.
1. Дальнейшее развитие и совершенствование процессов
открытой штамповки на универсальных и специализиро-
ванных машинах.
2. Развитие и широкое внедрение процессов закрытой
штамповки.
3. Развитие и расширение области применения разно-
видностей прокатки (в частности, штучных заготовок).
4. Создание и освоение комплексных процессов и авто-
матических линий с замкнутым циклом производства.
Для единичного и мелкосерийного производств основным
направлением развития изготовления поковок является
151
дальнейшее совершенствование и широкое внедрение груп-
пового метода, позволяющего повысить серийность изготав-
ливаемых деталей, а следовательно, дающего возможность
применять такие прогрессивные способы, как штамповка
выдавливанием, в разъемных матрицах и т. д., ранее эф-
фективные только при массовом производстве.
Основой группового метода является классификатор, со-
ставляемый по конструктивно-технологическому признаку
так, чтобы при обработке группы можно было бы использо-
вать общность процесса с применением однотипного обору-
дования, общей оснастки, приспособлений при одинаковой
подготовке и настройке машины [29]. Это дает возможность
конструктору разрабатывать, проектировать детали с уче-
том классификатора, стремиться при этом «вписать» дан-
ную деталь в те или иные классы или группы (табл. 2.25).
Таблица 2.25
Прогрессивные способы малоотходной технологии
Процесс Тип, параметры поковки Чис- ло опе- ра- ций Произ- води- те ль- ность, шт./ч Оборудование
Штамповка шесте- рен с зубьями Шестерни конические; диаметр 100-180 мм, т = 4+8 мм 2-3 200 0,7-0,85 КГШП; 25 МН
Автоматизирован- ная продольная вальцовка с после- дующей откры- той штамповкой Валы, оси, шатуны до 20 кг 24 200 0,6-0,75 Автоматиче- ские вальцы и КГШП; 16-63 МН
Коленвалы, балки перед- ней оси до 100 кг 3 72 0,8-0,82 Автоматиче- ская линия КГШП; 120 МН
Многоштучная открытая штам- повка Шатуны, ры- чаги, тяги, оси, валы до 2 кг 24 До 1000 0,6-0,84 КГШП
Шатуны по 2 шт. до 3 кг 5 1000 0,75 КГШП; 40 МН; авто- матизирован- ный
152
Продолжение табл. 2.25
Процесс Тип, параметры поковки Чис- ло опе- ра- ций Произ- води- тель- ность, шт./ч Оборудование
Открытая штам- повка в условиях автоматизации Шестерни, фланцы, вил- ки кардана до 6 кг 24 2000 0,65-0,8 КГШП; 16-50 МН; автоматизи- рованные
Штамповка с ис- пользованием операции прямо- го выдавливания Кулаки пово- ротные, стой- ки до 25 кг 3 100 0,7-0,85 КГШП; 2540 МН
Цапфы полые до 15 кг 4 210 0,8-0,92 КГШП; 25 МН; автоматизи- рованный
Оси, валы полые до 8 кг 4 150 0,75-0,8 ГКМ с гори- зонтальным разъемом мат- риц 12,5 МН
Кольца конического подшипника до 0,6 кг 1 1000 0,75- 0,92 КГШП; 6,3-16 МН; автоматизи- рованный
Клапаны авто- мобильного двигателя от 0,1 до 0,3 кг 2 2000 0,9-0,95 КГШП; 10 МН; автоматизи- рованный
Ниппеля 1 1500 0,9-0,95 Механиче- ский пресс; 2,5 МН; автоматизи- рованный
Закрытая штам- повка с противо- давлением Шестерни, фланцы до 3 кг 2 300 0,78-0,9 КГШП; 16 МН
Закрытая штам- повка в штампах с разъемными матрицами Крестовины 1 250 0,95- 0,96 Универсаль- ный механи- ческий пресс со специаль- ным маркетом
Втулки, шестерни, вилки 1-2 200 0,8-0,9 КГШП
153
Продолжение табл. 2.25
Процесс Тип, параметры поковки Чис- ло опе- ра- ций Произ- води- те ль- ность, шт./ч *в.г Оборудование
Закрытая штам- повка в штампах с разъемными матрицами Крестовины, вилки, карда- ны, шестерни 1-2 200 0,9-0,95 КГШП + спе- циальная ус- тановка
Полуоси, разжимные кулаки, тяги до 10 кг 1-3 — 0,8-0,95 ГКМ автома- тизированная с горизонталь- ным разъ- емом матриц
Закрытая штам- повка на специа- лизированных прессах Кольца до 6,0 кг 3 500 0,8-0,9 Специализи- рованный КГШП; 25 МН
Шестерни, крестовины втулки 1-2 500 0,85- 0,92 КГШП; двой- ного действия 5x5, 8x8 МН
Закрытая штам- повка на горяче- штамповочном ав- томате Шестерни, фланцы, коль- ца до 8 кг 3-4 2000- 7000 0,7-0,9 Автомат; до 12 МН
М ногоклетьевая продольная вальцовка Заготовки полуосей лег- кового автомо- биля 9 500 0,8-0,9 Вальцы авто- матические
Поперечно-кли- новая вальцовка Шаровые пальцы, валы, оси до 8 кг 1 300 0,85- 0,95 —
Заготовки под штамповку 1 200 0,85- 0,95 Вальцы сег- ментные и круговые
Продольно-винто- вая прокатка Заготовки по- луосей лег- кового авто- мобиля 1 70 0,85- 0,95 Автомат
Заготовки ко- лец подшип- ника, втулки 1 1000 0,8-0,9
Раскатка Кольца, терни массой до 50 кг 1 30 0,89-0,9
154
Продолжение табл. 2.25
Процесс Тип, параметры поковки Чис- ло опе- ра- ций Произ- води- тель- ность, шт./ч *в.г Оборудование
Накатка зубьев шестерен Цилиндриче- ские; диаметр 20-350 мм; т=4+12 мм 1 60 0,8-0,95 Автомат
Конические со спиральным зубом 1 50 0,8-0,9
Сферодвижная обработка Диски, коль- ца, фланцы стаканы, шес- терни 1 — 0,8-0,9
Электровысадка Валки,оси, заготовки под штамповку 1 60 0,8-0,9
На отечественных предприятиях широкое распространение
получают прогрессивные технологические процессы, направ-
ленные на снижение расхода металла и получение высокока-
чественных заготовок. Основные особенности некоторых тех-
нологических процессов, получивших распространение в по-
следнее время, будут рассмотрены в настоящем параграфе.
Штамповка в разъемных матрицах
Одними из перспективных направлений в развитии куз-
нечно-штамповочного производства заготовок являются раз-
работка и создание специализированных технологических
процессов и оборудования, предназначенных для получе-
ния заготовок одного или нескольких близких типоразме-
ров. Примером тому служит появившийся в последние годы
способ штамповки выдавливанием в разъемных матрицах,
реализация которого осуществляется или на универсаль-
ном оборудовании, или в специальных штампах [52], или
на специальных многоплунжерных прессах. Сущность про-
цесса заключается в том, что в отличие от традиционных
способов штамповки матрица имеет одну или несколько
плоскостей разъема, по которым части матрицы плотно
155
Рис. 2.41. Схемы штамповки выдавливанием в разъемных
матрицах: а — поперечный разъем; б — продольный; в —
смешанный
прилегают друг к другу в период деформирования заготов-
ки (рис. 2.41). Этот способ может применяться при холод-
ной, полугорячей и горячей обработке металла. Наиболее
распространена горячая деформация углеродистых и леги-
рованных сталей, цветных металлов и сплавов.
В разъемных матрицах получают поковки, разнообраз-
ные по форме и размерам (фланцевые, корпусные, с отрост-
ками, с развилинами, оребренные, удлиненные и др.). Об-
щей особенностью формы является то, что они состоят из
двух частей: центральной в виде сплошного или полого ци-
линдра, призмы и периферийной в виде фланцев, отрост-
ков, выступов, ребер и т. п.
Через центральную часть или отдельный ее элемент обыч-
но осуществляется силовое воздействие на заготовку, кото-
рое вытесняет металл в периферийную часть. Различие форм
поковок, которые целесообразно штамповать в разъемных
матрицах, обусловливает многообразие необходимых тех-
нологических схем деформирования и соответствующего обо-
рудования (табл. 2.26).
Штамповку в разъемных матрицах применяют преиму-
щественно взамен широко распространенного в производ-
стве способа штамповки в открытых штампах. Поэтому при
рассмотрении вопроса об эффективности применения штам-
повки в разъемных матрицах целесообразно сравнивать
технико-экономические показатели этого способа с соответ-
ствующими показателями облойной штамповки.
К преимуществам штамповки в разъемных матрицах от-
носятся следующие:
• отсутствие заусенца, что исключает необходимость при-
менять обрезные прессы;
156
• возможность полу-
чать поковки с не-
значительными штам-
повочными уклонами
(до 1-3°), а в некото-
рых случаях исклю-
чать их применение
полностью;
• максимальное при-
ближение формы заго-
товки к форме готовой
детали за счет формо-
вания внутренних по-
лостей;
• возможность полу-
чения поковок с более
высокой точностью раз-
меров за счет постоян-
ства усилия деформи-
рования и закрытой вы-
соты штампового про-
странства;
• значительное со-
кращение допускаемых
отклонений на разме-
ры поковки (примерно
в два раза);
• уменьшение при-
пусков на механиче-
скую обработку (при-
мерно на 30 %);
• увеличение Кй м
до 0,5-0,85, или на
20-100 %;
• увеличение произ-
водительности труда
в среднем на 25 % ;
• улучшение усло-
вий для автоматиза-
ции штамповки благо-
даря малому числу пе-
реходов (один-два).
Несмотря на значи-
тельные преимущества
Штамповки в разъем-
157
ных матрицах, этот способ обладает существенными недостат-
ками: для штамповки необходимы специальное оборудование,
более сложная и дорогостоящая технологическая оснастка.
При штамповке поверхность заготовки охлаждается в про-
цессе контакта со штампом, вследствие чего снижается пла-
стичность металла, ухудшается заполнение полости штампа
и возрастают нагрузки на штамп. Особенно значительно это
влияет на штамповку титана и жаропрочных сплавов, когда
даже для самых простых заготовок требуются несколько
штамповочных переходов с промежуточными нагревами и
большой объем механической обработки.
Штамповка в разъемных матрицах применяется для по-
лучения неразъемных изделий сложной формы, когда та-
кие изделия другими способами получить невозможно.
Изотермическая штамповка
Процессы изотермического деформирования отличаются
от обычных, традиционных способов горячей штамповки тем,
что формирование нагретой заготовки осуществляют в инст-
рументе, нагретом до температуры деформации заготовки.
Термин «изотермическая штамповка» характеризует суть
процесса, а не температуру штампуемого металла, которая в
процессе деформирования будет повышаться вследствие теп-
лового эффекта деформации.
Высокотемпературным изотермическим деформировани-
ем из легированных сталей, титановых и жаропрочных спла-
вов можно получать заготовки разнообразных конфигура-
ций. Особенности изотермического деформирования обус-
ловливают область его применения:
• для малопластичных металлов, не поддающихся обработ-
ке давлением в обычных условиях, и штамповки заготовок;
• для деталей с элементами небольшой толщины (высо-
кие и узкие ребра, тонкие полотна), которые в обычных
условиях можно получить только с большими напусками;
• при требованиях повышенной точности, особенно для
деталей из дорогостоящих материалов;
• для крупногабаритных деталей, требующих в обычных
условиях оборудования повышенной мощности;
• для изделий, к качеству и надежности которых предъяв-
ляются повышенные требования.
Для изотермического деформирования применяют гид-
равлические прессы. При этом скорость деформации может
158
быть сколь угодно малой, нижний предел ее ограничен толь-
ко производительностью процесса. Уменьшение скорости де-
формации приводит к снижению сопротивления металла де-
формированию по сравнению с условиями горячей штам-
повки, что позволяет использовать для изотермической
штамповки менее мощное оборудование и сэкономить про-
изводственные площади и энергию. Это особенно важно при
получении крупногабаритных и сложных поковок типа ба-
лок, дисков, кронштейнов и т. д. Штамповка таких деталей
в обычных условиях бывает невозможной из-за недостаточ-
ной мощности оборудования, что приводит к необходимос-
ти большого числа нагрева и переходов или к созданию но-
вого, часто уникального и дорогостоящего оборудования
большой мощности.
При изотермической штамповке в отдельных случаях
можно упростить конструкцию и узлы машины заменой
сборных деталей на монолитные. Условия изотермической
штамповки расширяют возможности многоштучной штам-
повки, особенно заготовок несложной формы, для которых
трудоемкость изготовления инструмента небольшая.
Большим преимуществом изотермического деформирова-
ния является повышение пластичности обрабатываемого
материала, что связано с более полным протеканием разуп-
рочняющих процессов, а также с «залечиванием» микро-
трещин при пониженных скоростях деформации. Это со-
здает условия для деформирования малопластичных мате-
риалов (например, чугуна).
Так, на рис. 2.42 представлена зависимость предельной
деформации серого чугуна при осадке от скорости дефор-
мирования при температуре испытания 900 °C [50]. Из ри-
сунка видно, что при малых скоростях деформирования,
т. е. в области изотерми-
ческого деформирования,
пластичность серого чугу-
на значительно возрастает,
что позволяет осуществить
формоизменение путем де-
формирования.
Точность заготовок, по-
лученных в изотермиче-
ских условиях, значитель-
но повышается в резуль-
тате уменьшения:
Скорость деформирования, мм/с
Рис. 2.42. Зависимость предельной де-
формации серого чугуна при осадке от
скорости деформирования [51]
159
• упругих деформаций системы пресс—штамп из-за сни-
жения сопротивления деформированию штампуемого метал-
ла и усилия штамповки;
• колебаний температуры деформации (следовательно,
большей стабильности геометрических размеров штампован-
ных заготовок);
• толщины дефектного слоя и улучшения качества по-
верхности заготовки в результате меньшего взаимодействия
металла с окружающей средой при снижении температуры
деформации и использовании эффективных защитно-сма-
зочных стеклянных покрытий;
• остаточных напряжений в объеме штампованной заго-
товки, что уменьшает ее коробление при остывании и тер-
мообработке и улучшает качество.
В изотермических условиях штампуют заготовки с не-
большими штамповочными уклонами или без них, с резки-
ми перепадами сечений, малыми радиусами переходов и
припусками на механическую обработку.
Основные преимущества процесса:
• повышение пластичности металла, возможность дефор-
мирования малопластичных материалов или получение боль-
ших деформаций для обычных материалов;
• возможность получения параметра шероховатости по-
верхности заготовок Rz = 20-5-3,2 мкм, точности до 11-го,
12-го квалитетов;
• улучшение структуры, повышение механических свойств
и качества металла;
• уменьшение или полное устранение припусков, сниже-
ние трудоемкости механической обработки на 25-60 %;
• повышение Кя м до 0,3-0,6;
• уменьшение усилия деформирования в 5-10 раз.
К недостаткам изотермической штамповки относятся:
• большие трудоемкость изготовления и стоимость штам-
повой оснастки;
• низкая производительность процесса;
• усложнение технологического процесса за счет приме-
нения стеклянных смазочных материалов, необходимость до-
полнительного оборудования для их нанесения и удаления.
Сферодвижная штамповка
В электровакуумных приборах находят широкое приме-
нение детали типа стаканов, фланцев, колец или дисков.
Как правило, такие детали изготовляются точением или фре-
160
зерованием заготовок, отрезанных от прутков, труб или по-
лученных вырезкой из толстолистового материала. Доволь-
но часто применяются паяные узлы, состоящие из двух-
трех деталей, изготовление которых по существующей тех-
нологии не всегда гарантирует вакуумную плотность со-
единений, вызывает большие потери металла, требует при-
менения дефицитного припоя и труда рабочих высокой
квалификации.
Выходом из данного положения является использование
метода сферодвижной штамповки, предложенного ленин-
градским изобретателем А. Н. Силичевым.
Сущность метода сферодвижной штамповки (рис. 2.43)
заключается в том, что общая деформация осуществляется
в результате локального, последовательного и многократ-
ного воздействия пуансона 2 и матрицы 9 на заготовку 1,
в результате чего деформируемые участки ее подвергаются
последовательному пульсирующему нагружению. Это до-
стигается за счет придания рабочему подвижному инстру-
менту, пуансону или матрице, сложного механического дви-
жения — кругового качательного от сферодвижного меха-
низма и вертикального поступательного от ползуна гидрав-
лического пресса.
Таким образом, уменьшение контактной поверхности,
нагружения и изменение схемы
пульсирующий характер
действия сил в зоне оча-
га деформации оказывают
большое влияние на изме-
нение условий контакт-
ного трения, значительно
снижают удельное давле-
ние и позволяют до 10-15
раз уменьшить потребное
технологическое усилие.
Круговое качательное
движение пуансону сооб-
щает механизм, состоя-
щий из двух электродви-
гателей, вращающих че-
рез муфты 6 и червяки 5
червячное колесо 4. Сту-
пица червячного колеса
имеет эксцентрично рас-
положенное под углом 3°
отверстие, в котором на-
Рис 2.43. Принципиальная схема кон-
струкции сферодвижного прессователя:
1 — заготовка; 2 — пуансон; 3 — водило;
4 — червячное колесо; 5 — червяк; 6 —
муфта; 7 — электродвигатель; 8 — подпят-
ник; 9 — матрица
161
ходится подшипник водила 3. Благодаря возможности про-
ворота цапфы водила в подшипнике вращательное движе-
ние червячного колеса преобразуется в круговое качатель-
ное движение самого водила и закрепленного на нем пуан-
сона, который и деформирует заготовку. Усилие деформа-
ции передается водилом на сферический подпятник 8, при
этом центр сферической поверхности находится на рабочем
торце пуансона.
Сферодвижная штамповка рекомендуется в основном для
формообразующих и разделительных операций обработки
металла как в холодном, так и горячем состоянии.
Применение сферодвижной штамповки целесообразно при
изготовлении сложных по форме деталей, габаритные разме-
ры которых не позволяют применять ранее известные мето-
ды обработки. Так, при освоении полых деталей [22] были
получены следующие показатели: снижение нормы расхода
металла для стакана с дном и фланцем с 1,73 до 0,69 кг, для
фланца со стойкой — с 5,76 до 2,75 кг; снижение трудоемко-
сти токарных работ составило соответственно 46 и 48,5 %.
Способы порошковой металлургии
Порошковая металлургия как метод получения и обра-
ботки материалов отличается разнообразием технологиче-
ских приемов и способов производства, что позволяет полу-
чать спеченные материалы и изделия различных составов,
свойств и назначений. Выделяются две особенности при
применении методов порошковой металлургии.
1. Возможность получения принципиально новых мате-
риалов и изделий из них со специфическими свойствами,
которые нельзя получить при использовании других техно-
логических процессов (детали из фрикционных и антифрик-
ционных, пористых материалов и материалов с особыми фи-
зическими свойствами). Эффективность изготовления таких
деталей, прежде всего, определяется их назначением и экс-
плуатационными свойствами.
2. Изготовление деталей, не обладающих специфически-
ми свойствами, для которых метод порошковой металлур-
гии не является монопольным. К ним относятся детали кон-
струкционного назначения, получение которых методом по-
рошковой металлургии оправдано лишь значительным эф-
фектом за счет снижения расхода материала, трудоемкости,
себестоимости и других технико-экономических показателей.
162
Характерной особенностью порошковой металлургии как
промышленного метода изготовления различного рода заго-
товок является применение исходного сырья в виде порош-
ков, которые затем прессуют или формуют в изделия задан-
ных размеров и подвергают термической обработке (спека-
нию), проводимой при температурах ниже температуры
плавления основного компонента шихты.
Основные элементы технологии порошковой металлур-
гии следующие:
• получение и подготовка порошков исходных материа-
лов, которые могут представлять собой чистые металлы или
их сплавы, металлоиды, соединения металлов с неметалла-
ми и другие химические соединения;
• прессование из подготовленной шихты изделий необ-
ходимой формы в специальных пресс-формах, т. е. формо-
вание будущего изделия;
• термическая обработка (или спекание) спрессованных
изделий, обеспечивающая им окончательные физико-меха-
нические и другие свойства.
В производственной практике иногда встречаются откло-
нения от типового технологического процесса, например
совмещение прессования и спекания, пропитка пористого
брикета расплавленным металлом, допрессовка или калиб-
ровка спеченного полуфабриката, дополнительная механи-
ческая обработка спеченных изделий и т. д.
Достоинства порошковой металлургии следующие:
• возможность изготовления деталей из тугоплавких ма-
териалов, псевдосплавов (например, медь — вольфрам, же-
лезо — графит), пористых материалов с заранее заданной
пористостью (фильтры, самосмазывающиеся подшипники);
• значительная экономия материалов в связи с возмож-
ностью прессования изделий с окончательными размерами,
не нуждающихся (или почти не нуждающихся) в последу-
ющей механической обработке; отходы производства в этом
случае не превышают 1-5 %;
• возможность получения изделий из материалов высо-
кой чистоты, так как при изготовлении деталей методом
порошковой металлургии (в отличие от литья) исключает-
ся внесение каких-либо загрязнений в перерабатываемый
материал;
• технология порошковой металлургии по своему харак-
теру несложна и основные операции изготовления порош-
ковых изделий не требуют высокой квалификации обслу-
живающего персонала;
163
• возможность автоматизации технологических процес-
сов, которые не связаны с разработкой сложных ориенти-
рующих и транспортирующих устройств, бункеров и дру-
гих механизмов, необходимых при изготовлении деталей
из штучных заготовок.
Экономичность методов порошковой металлургии прояв-
ляется в полной мере только при больших масштабах произ-
водства. Сравнение затрат по изготовлению деталей из литых
и спеченных из металлических порошков заготовок показы-
вает, что у первых основной расход составляет заработная плата
по изготовлению, у вторых — стоимость технологической ос-
настки и исходных материалов. В связи с этим замена сталь-
ных и чугунных деталей несложной конфигурации деталями
из металлических порошков не всегда экономична.
Как показывает опыт, при числе деталей массой 30-50 г
менее 10 тыс. шт. в большинстве случаев невыгодно изго-
товлять детали методом порошковой металлургии. Срав-
нительно высокая стоимость исходных порошков и пресс-
форм делает порошковое производство выгодным лишь
в случае, когда объем партий выпускаемых изделий опре-
деляется десятками тысяч (табл. 2.27). Однако уникальные
свойства получаемых изделий часто делают целесообразным
изготовление изделий из порошков и значительно меньши-
ми партиями.
К недостаткам порошковой металлургии можно отнес-
ти ограниченность размеров и относительную простоту
формы получаемых изделий, что обусловлено спецификой
формования порошков.
Рис. 2.44. Прочность детали в зависи-
мости от пористости материала:
ив — предел прочности; o_j — усталостная
прочность
При изготовлении дета-
лей машин методом по-
рошковой металлургии
наличие остаточной по-
ристости в некоторых
случаях не позволяет по-
лучить такие же физи-
ко-механические свой-
ства, как при изготов-
лении литьем или ков-
кой (рис. 2.44).
В табл. 2.28 представ-
лено изменение прочно-
стных характеристик по-
рошковых и компакт-
ных материалов.
164
Таблица 2.27
Экономически эффективные объемы производства деталей из материалов
на основе железа методами порошковой металлургии
Сложность деталей Производство деталей
Группа Под- группа без калибровки с калибровкой без калибровки
Масса деталей, г
10-20 40-80 160-320 640-1280 10-20 40-80 160-320 640-1280 10-20 40-80 160-320 640-1280
Базовый вариант
Обработка резанием Точное литье
Простая 1 4800 3750 2350 850 11 700 9960 7680 1850 7250 5260 2750 1000
2 2940 2350 1650 820 8870 6800 3900 1750 6600 4800 2300 920
Сложная 1 2100 1810 1250 650 6410 5100 2460 1800 5100 3950 2150 1100
2 1380 1060 830 530 4350 3650 1610 1920 4450 3450 1600 1280
Весьма сложная 1 700 630 660 770 2760 2100 1580 2050 3690 3080 1420 1510
2 600 570 800 900 1840 1670 1610 2100 3450 2700 1550 1750
Группа Под- группа Базовый вариант — штамповка
с калибровкой без калибровки с калибровкой
Простая 1 12 800 11 200 7920 2300 8200 5950 3100 1230 13 500 11 900 8250 3150
2 1150 9650 7000 2900 6350 4580 2160 1150 11 600 10 200 7150 3540
Сложная 1 10 700 9400 6400 3420 4850 3780 1830 1080 9650 7630 6530 3900
2 9800 8680 6300 3850 4300 2880 1590 1200 8060 5850 5200 4360
Весьма сложная 1 9150 8050 6180 4200 3400 2050 1380 1330 6540 4210 4800 4550
2 8750 7500 6240 4450 2770 950 1300 1460 5300 3960 4300 4780
165
Таблица 2.28
Изменение отношения
предела выносливости (о_р
к пределу прочности (ств ) стальных
порошковых и компактных материалов
в зависимости от содержания углерода
Массовое содержание углерода, % 0-1/0,
Порошковый материал Компактный материал
0,06 0,61 0,50-0,52
0,20 0,38 0,42-0,44
0,45 0,36 0,42-0,45
0,50 0,35 0,43-0,44
Несмотря на недостат-
ки, метод порошковой ме-
таллургии в последние го-
ды настолько широко и
прочно вошел во все сфе-
ры науки и техники,что
трудно перечислить все
области его применения.
Рассмотрим некоторые из
них, охарактеризовав ос-
новные порошковые ма-
териалы и области их
применения.
Типовыми деталями,
изготавливаемыми из
конструкционных порош-
ковых материалов, являются шестерни, кулачки, звездоч-
ки, накладки, шайбы, заглушки, храповики, гайки, флан-
цы, ограничители, детали мерительных инструментов и др.
Механические свойства конструкционных спеченных
материалов характеризуются пределом прочности при из-
гибе, ударной вязкостью, относительным удлинением, твер-
достью. Другие физико-механические свойства этих мате-
риалов в настоящее время изучены на отдельных марках
материалов и отдельных вариантах технологического про-
цесса и являются факультативными. В табл. 2.29 приведе-
ны свойства некоторых конструкционных порошковых ма-
териалов и основные области их применения.
Коррозионная стойкость деталей, у которых пористость
не превышает 6-7 %, такая же, как у компактных матери-
алов того же химического состава. При увеличении порис-
тости коррозионная стойкость ухудшается.
При решении вопроса о переводе деталей на изготовле-
ние методом порошковой металлургии необходимо учиты-
вать следующие обстоятельства:
• возможные издержки при изготовлении деталей могут
компенсироваться экономическим эффектом при эксплуата-
ции за счет повышения эксплуатационных свойств изделия;
• детали из порошковых материалов могут выполнять
в узле помимо основной функции также функции смеж-
ной детали (например, паразитная шестерня по поверхнос-
ти насадки на ось может быть пористой и после запол-
нения пор маслом может выполнять функции подшипника
скольжения);
166
Таблица 2.29
Общая характеристика и назначение конструкционных порошковых материалов
Марка Р’ ч г/см15 ав- МПа KCV, Дж/м3 6, % а0,2- МЙа НВ Область применения Заменяемый материал
МПа кгс/мм2
Не менее Не более
Ж10-66 6,6 170 15 5,0 200 45 450 Мало- и средненагру- женные конструкцией- ные детали Углеродистые ста- ли
Ж10-72 7,2 200 25 9,0 — 55 560
Ж10-75 7,5 230 40 20,0 — 65 660
Ж10ДЗ-66 6,6 260 6 4,0 300 65 650 Средненагруженные кон- струкционные детали Углеродистые ка- чественные конст- рукционные стали
Ж10ДЗ-70 7,0 340 — 7,0 — 90 900
Ж50НЗД2-66 6,6 320 3,0 3,0 — 100 1000 Легированные, ка- чественные и угле- родистые конструк- ционные стали 20, 30, 40, 45, 50, 20Х
Ж50НЗД2-70 7,0 440 — 4,5 — 130 1300
Ж40НЗД2Х-66 6,6 800 — 1,0 — 180 1800
Ж20Х2-76 7,6 850 50 4,0 1150 250 2500 Тяжелонагруженные кон- струкционные детали 20ХНЗ, 40Х
Ж10Х18Н9-68 6,8 400 — 12,0 — — — Конструкционные дета- ли, работающие в уело- виях повышенной корро- зии Коррозионно-стой- кие стали
Ж10Х23Н18-66 6,6 350 — 18,0 — — —
Ж30Х7-76 7,6 800 10 2,0 — — — Абразивостойкие и тяже- лонагруженные детали 40Г2
167
• заложенный запас прочности в деталях из литых и кова-
ных заготовок при конструктивном выборе размеров во мно-
го раз превосходит необходимый, хотя это и не вызывается
эксплуатационными требованиями; в связи с этим необходи-
мо учитывать реальные условия работы деталей и требова-
ния, которые должны предъявляться к ним по механичес-
ким и физико-механическим свойствам;
• детали из порошковых материалов имеют в среднем на
5-15 % меньшую плотность, что снижает расход материала
и уменьшает массу изделия.
Выбор деталей для перевода на изготовление из металли-
ческих порошков необходимо производить в два этапа. На
первом этапе оценивают технологичность детали с точки
зрения требований порошковой металлургии и определяют
возможную схему технологического процесса. На этом эта-
пе деталь анализируют по следующим признакам:
• форме и конфигурации детали (отбирают детали, для
которых могут быть применены известные технологиче-
ские схемы изготовления деталей из порошков, определя-
ют группу сложности детали);
• геометрическим размерам (вычерчивают эскиз спечен-
ной заготовки, анализируют необходимость и возможность
изменения размеров и формы детали, необходимость опера-
ции калибровки, характер расположения детали в пресс-
форме и т. п.;
• по давлению прессования оценивают мощность прессо-
вого оборудования;
• определяют объем и необходимость последующей меха-
нической обработки;
• механическим и физико-механическим свойствам ма-
териала (выбирают марку порошкового материала, назна-
чают окончательную схему технологического процесса).
На втором этапе анализируют технико-экономические по-
казатели производства изделий и определяют экономическую
целесообразность их перевода на изготовление из порошков.
Анализ осуществляется по показателям:
• годовой программе деталей (отбирают детали, количе-
ство которых не ниже критической серийности; при програм-
ме ниже критической производство спеченных деталей эко-
номически нецелесообразно; для деталей с особыми свойства-
ми не представляется возможным установить экономически
целесообразный уровень серийности, поэтому вопрос о пере-
воде их на изготовление методом порошковой металлургии
должен решаться индивидуально);
168
• коэффициенту использования металла (проводят сравни-
тельный анализ Кк м при производстве деталей по существу-
ющей технологии и методом порошковой металлургии (Ки м
при изготовлении деталей из порошков составляет не менее
0,75 и зависит от технологической схемы производства);
• себестоимости (осуществляют сравнительный анализ се-
бестоимости изготовления деталей по вариантам).
По завершении подбора номенклатуры деталей для пере-
вода на изготовление их из порошковых материалов для
каждой детали оформляют техническое заключение, где
анализируемые детали подразделяются на три категории.
К первой относят детали, для которых имеется достаточ-
ный опыт по внедрению в промышленное производство дета-
лей подобной сложности и из данного материала. Детали могут
быть полностью изготовлены по отработанной технологии.
Ко второй категории относят детали, для которых нет до-
статочного опыта по внедрению в производство; необходимы
проверка отдельных технологических решений по схеме про-
изводства и проведение натурных испытаний детали.
К третьей категории относят детали, для изготовления
которых нет опыта по формообразованию и отсутствует тех-
нология производства; необходимы разработка технологии
изготовления детали из данного материала и комплексное
исследование материала детали.
Детали, получаемые из порошковых материалов, в соот-
ветствии с работой [33] подразделяются на три группы: про-
стую, сложную и весьма сложную. Каждая группа имеет
подгруппы сложности. Эскизы деталей для соответствую-
щих групп сложности представлены на рис. 2.45.
При конструировании деталей, предназначенных для
изготовления методом порошковой металлургии, следует
учитывать ряд ограничений, обусловленных технологией
порошковой металлургии (рис. 2.46):
• максимально упрощать форму детали;
• не допускать боковых впадин, круговых канавок, об-
ратной конусности и отверстий, непараллельных оси прес-
сования;
• избегать тонких стенок, узких пазов, острых углов и т. п.;
• изменения размеров по толщине и диаметру должны
быть минимальными;
• стремиться использовать круглые сечения взамен квад-
ратных и прямоугольных;
• радиус закругления у наружных углов выбирать не ме-
нее 2,5 мм, а у внутренних — 0,25 мм;
169
Рис. 2.45. Детали—представители групп сложности:
I — простые; II — сложные; III — весьма сложные
• при однократном холодном прессовании с последующим
спеканием может быть достигнута следующая точность раз-
меров: 0,03-0,05 мм (радиальные размеры); до 0,12 мм (раз-
меры по высоте);
• шероховатость поверхности спеченных деталей опреде-
ляется шероховатостью поверхности пресс-форм, однако
наличие пористости в деталях не позволяет получать поли-
рованные поверхности;
• изделия высотой (длиной) более пяти диаметров могут
обладать неоднородной плотностью; для получения высо-
кой однородности металла отношение длины к максималь-
ному размеру поперечного сечения детали не должно пре-
вышать трех;
• для получения высоких прочностных характеристик об-
рабатываемых деталей необходимо использовать более слож-
Рис. 2.46. Примеры повышения технологичности де-
талей, получаемых методом порошковой металлургии
170
ные технологические процессы, включающие двойное (трой-
ное) прессование, калибровку, горячее прессование, горя-
чую объемную штамповку и т. д. (дальнейшее совершен-
ствование этого метода — изостатическое прессование, реа-
лизуемое на специальных изостатических прессах).
Изостатическое прессование в отличие от обычных мето-
дов осуществляют с помощью газа (или жидкости), находя-
щегося под высоким давлением и равномерно (изостатиче-
ски) сжимающего заготовку вдоль всей ее поверхности. Из-
делия, полученные изостатическим прессованием, характе-
ризуются высокой и равномерной плотностью. Исходным
материалом чаще всего служит металлический или кера-
мический порошок. Его заключают в плотную эластичную
капсулу и прессуют в контейнере высокого давления. В изо-
статических прессах можно прессовать заготовки диамет-
ром 1000 мм и высотой 2500 мм и более.
Сварные заготовки
Во многих областях промышленности широко использу-
ют комбинированные сварные детали, которые состоят из
отдельных заготовок, выполненных с применением различ-
ных технологических процессов, а иногда и различных ма-
териалов. Сварные комбинированные детали экономичны при
любом типе производства, в случае изготовления сложных,
крупногабаритных деталей, получение которых как единое
целое удорожает оснастку, увеличивает объем механической
обработки, снижает качество и точность изготовления.
Многие детали современного машиностроения и химиче-
ской промышленности (валы и роторы, диски, котлы, газ-
гольдеры и т. п.), требующие применения элементов боль-
ших сечений, для уменьшения объема механической обра-
ботки и снижения себестоимости изготовляют, как правило,
в сварном варианте. Однако расчленение крупногабаритных
деталей на несколько частей не всегда целесообразно. Иногда
в результате расчленения уменьшается жесткость конструк-
ции, увеличивается расход материала на ее изготовление.
Деталь целесообразно расчленять на составные части с по-
следующей их сваркой: если изготовление ее цельнолитой
или цельнокованой связано с большими производственны-
ми трудностями, отсутствием оборудования, усложнением
механической обработки; если из-за низкой технологичнос-
ти детали увеличивается брак, снижается качество метал-
171
ла; если отдельные части детали работают в особо тяжелых
условиях (повышенного изнашивания, коррозии, высоких
температур и т. п.) и изготовление их требует применения
более дорогих материалов.
В сварных заготовках взаимосвязаны применяемые ма-
териалы, конструктивные формы и технологические про-
цессы сварки. Каждому материалу должны соответствовать
свои конструктивные формы и своя технология сварки;
каждому методу сварки — определенные конструктивные
формы. Поэтому дать какие-либо конкретные рекоменда-
ции по технологичности сварных изделий не представляет-
ся возможным.
При использовании сварки для получения комбиниро-
ванной заготовки необходимо учитывать не только матери-
ал заготовок, но и технологические особенности различных
методов и способов сварки, расположение свариваемых эле-
ментов с точки зрения применения стандартного оборудо-
вания и возможности использования автоматических спо-
собов сварки.
Для получения максимального эффекта от внедрения
сварных комбинированных деталей прежде всего необходи-
мо выбрать рациональный технологический процесс полу-
чения исходных заготовок. В настоящее время в этой обла-
сти накоплен большой опыт. Условно сварные комбиниро-
ванные заготовки можно разделить на четыре группы:
• листосварные детали, для которых исходными элемен-
тами являются заготовки из листового или профильного ма-
териала;
• сварно-литые детали, для которых используются ли-
тые заготовки, полученные тем или иным способом литья;
• штампо-ковано-сварные детали, где исходные заготов-
ки — поковки, полученные штамповкой или ковкой;
• сварно-комбинированные детали, где одновременно мо-
гут быть использованы заготовки, полученные литьем, ков-
кой или штамповкой и вырезкой из листового или профиль-
ного проката.
При расчленении цельнолитых и цельнокованых дета-
лей на отдельные заготовки, получаемые литьем, ковкой
или штамповкой, необходимо помнить, что применение свар-
ки требует не только выбора места расчленения, не просто-
го копирования форм и размеров цельнолитых или цельно-
кованых деталей, а создания деталей, технологичных для
данного способа сварки, способа получения элементов дета-
ли, материала и данных условий производства. Если необ-
172
ходимо, то в чертежи готовой детали следует внести конст-
руктивные изменения, обеспечивающие получение каче-
ственной сварной детали при минимальных производствен-
ных затратах.
Большое влияние на качество сварных деталей оказыва-
ет технология сварки. Поэтому все вопросы, касающиеся
формы исходных заготовок, материала, последовательнос-
ти сборки и сварки, а также конструктивное оформление
отдельных сопряжений сварно-литых и штампосварных
деталей с учетом возникающих при сварке деформаций и
напряжений, решаются в тесном сотрудничестве техноло-
гов-литейщиков, технологов по обработке металлов давле-
нием, по механической обработке и технологов-сварщиков.
Для соединения элементов в сварно-литые и штампо-свар-
ные детали в зависимости от толщины сварного соединения
и материала в основном применяют следующие способы
сварки: ручную электродуговую, полуавтоматическую или
автоматическую (в среде углекислого газа или под флюсом)
и электрошлаковую. Для соединения листоштампованных
заготовок может быть использована контактная шовная или
точечная сварка.
При получении сварных деталей применяют стыковые,
угловые и тавровые соединения. Подготовку свариваемых
отливок и поковок в зависимости от вида соединения выпол-
няют: при ручной электродуговой сварке по ГОСТ 5264-80 и
ГОСТ 11534-75, при автоматической и полуавтоматической
сварке под флюсом по ГОСТ 11533-75, при прочих способах
сварки, в том числе и при электрошлаковой, по заводским
нормалям.
Рассмотрим основные положения, которые необходимо
соблюдать при конструировании комбинированных сварных
деталей. В наибольшей степени они касаются сварно-литых
деталей, так как точность и геометрическая форма кова-
ных и штампованных заготовок определяются возможнос-
тями применяемого оборудования и инструмента. Кроме
того, штампосварные детали подвергают, как правило, ме-
ханической обработке. При расчленении же крупногабарит-
ных цельнолитых деталей появляется возможность исполь-
зования точных способов литья — в кокиль, под давлени-
ем, по выплавляемым моделям, применение которых поз-
воляет резко снизить объем механической обработки.
Сварные швы по возможности необходимо изготавливать
прямолинейными и непрерывными по длине; вырезы и от-
верстия в деталях выполнять после сварки; элементы кон-
173
струкций балочного типа для уменьшения деформаций,
вызываемых электрошлаковой сваркой, проектировать и
изготавливать симметричными; сварочные швы располагать
в местах, доступных для перестановки и передвижения сва-
рочного автомата.
Для сварки деталей стержневого типа наиболее удобны-
ми являются прямоугольные или кольцевые сечения. Трудно
свариваются детали, имеющие сечения переменной кривиз-
ны, особенно детали с резкими изменениями толщины эле-
ментов. При наличии в детали стенок постоянного сечения
толщиной свыше 30 мм, сочетающихся со стенками пере-
менного сечения и с узлами, имеющими сложный профиль,
целесообразнее проектировать конструкцию из отдельных
отливок — сварно-литую, при сочетании стенок постоянно-
го сечения до 30 мм со сложными фасонными профилями
переменного сечения — сварно-листолитую.
При конструировании литых заготовок для сварно-ли-
тых конструкций необходимо предусматривать расположе-
ние прибылей на отливке вдали от кромок, подлежащих
сварке. Это объясняется тем, что в местах расположения
прибылей содержание серы и углерода может в несколько
раз превышать среднее содержание этих элементов в отлив-
ке и, если эти места повышенной химической неоднородно-
сти совпадают с местами расположения сварных швов, то
не исключена возможность появления дефектов в сварных
швах и в прилегающих к ним зонах металла отливки.
В связи с тем что выполнение в литье стенок большой
протяженности толщиной до 20 мм сопряжено с рядом тех-
нологических трудностей, целесообразно такие элементы
проектировать из листового материала. При проектирова-
нии сварно-литых деталей, образующих жесткий контур,
следует стремиться к тому, чтобы каждая заготовка (или
узел) соединялась с остальной частью конструкции не бо-
лее чем двумя швами. В случае разъема по большему числу
стыков осуществить сварку намного сложнее, а иногда не-
возможно.
Для определения размеров отдельных элементов конст-
рукции необходимо учитывать зазоры между ними.
Зазоры между отдельными элементами конструкции сварно-
литых деталей, мм
Толщина материала...... 50-70 70-100 100-200 200-500
Расчетный зазор ......... 18 20 22 25
Сварочный зазор ......... 20 22 25 28
174
При разработке крупногабаритных сварно-литых деталей
необходимо предусматривать, чтобы габаритные размеры
мелких литых заготовок обеспечивали возможность машин-
ной формовки, при этом длина отдельных заготовок во из-
бежание коробления не должна превышать 4-5 м.
При изготовлении сварно-литых деталей с нечетным чис-
лом отверстий разъем рекомендуется делать по поперечной
осевой плоскости среднего отверстия, при этом конструк-
цию расчленяют на две части, сварка таких конструкций
значительно упрощается.
Применение сварно-литых деталей целесообразно при
любом характере производства в целях улучшения каче-
ства детали, устранения брака цельнолитой детали, сокра-
щения объема механической обработки и экономии метал-
ла, удобства транспортировки, сокращения материальных
затрат и рабочего времени в литейном цехе, а также в слу-
чае невозможности изготовления детали литьем целиком.
Примером сварно-литой конструкции может служить ра-
бочее колесо радиально-осевой гидротурбины Братской ГЭС
мощностью 222 тыс. кВт [32]. Очень сложная форма гидро-
турбины не позволила получить отливку высокого качества
с требуемыми точностью и параметром шероховатости по-
верхности. Опыт работы по изготовлению сварно-литого ва-
рианта показал, что точность размеров рабочего колеса оп-
ределяется точностью заготовок лопастей, причем значи-
тельную часть погрешностей размеров можно компенсиро-
вать при сборке.
Точность размеров и качество изготовления рабочего коле-
са повысились по сравнению с цельнолитым вариантом в не-
сколько раз, улучшились гидравлические качества проточ-
ной части колеса за счет более точной геометрии лопастей и
каналов между ними, улучшилась технологичность конструк-
ции колес, появилась возможность изготовления элементов
рабочего колеса на различных предприятиях, что значитель-
но расширило фронт работ и сократило цикл производства.
В некоторых случаях сварной вариант применяют вместо
цельнолитого в целях сокращения материальных затрат и
рабочего времени в литейных цехах. Однако, прежде чем
применять сварно-литой вариант изготовления детали, необ-
ходимо убедиться в целесообразности его применения. По-
этому ни один из методов получения заготовок не нуждается
в столь тщательном технико-экономическом анализе, как
сварка и литье, так как оба метода дают возможность полу-
чать заготовки очень сложных конструктивных форм.
175
При сравнительном технико-экономическом анализе цель-
нолитых и сварно-литых конструкций обязательным явля-
ется определение числа критической серийности, которое
показывает, при каком количестве деталей наиболее эконо-
мичен сварной вариант.
Число критической серийности можно подсчитать по фор-
муле
N = M/(S-O), (2.4)
где S — стоимость одной сварно-литой детали; О — сто-
имость одной цельнолитой детали; М — стоимость одного
модельного комплекта.
Изготовление крупных цельнокованых деталей, как пра-
вило, сопряжено с большими отходами материала, со значи-
тельной неоднородностью свойств металла по сечению по-
ковки, с потребностью в уникальном оборудовании. Приме-
нение вместо поковок сварной детали из отдельных кованых
или штампованных заготовок приводит к значительному
экономическому эффекту, повышению качества изделия.
Особенно широкое применение получили сварные дета-
ли в турбостроении. Применение специальных сплавов, об-
ладающих низкой технологической пластичностью, иногда
полностью исключает возможность получения качественных
поковок больших размеров. В связи с этим валы и роторы
паровых и газовых турбин, как правило, изготовляют со-
ставными.
Особую область среди штампосварных изделий занимают
листовые конструкции, несущая основа которых состоит из
деталей, полученных листовой штамповкой. К материалам,
применяемым для листовых конструкций, предъявляют по-
вышенные требования по характеристикам пластичности, так
как их подвергают значительным пластическим деформаци-
ям. Эти конструкции используют главным образом для хра-
нения, транспортировки, перегрузки и переработки газов,
жидкостей, сыпучих тел. Условия работы листовых конст-
рукций весьма разнообразны. В зависимости от назначения
они могут работать при статических и динамических нагруз-
ках, при высоких и низких давлениях, поэтому листовые
конструкции должны удовлетворять одновременно услови-
ям прочности и пластичности.
В практике возможно создание таких комбинированных
сварных изделий, когда исходными заготовками являются
одновременно поковки, отливки и листовые заготовки. Кро-
ме этого, если условия работы отдельных частей конструк-
176
ции различны, то мо-
гут быть и различны-
ми требования к ос-
новному металлу. Наи-
более экономичной и
наименее трудоемкой
будет конструкция, в
которой детали, разли-
чающиеся по конфигу-
Рис. 2.47. Сварной вариант ротора газовой
турбины
рации и характеру работы, выполнены из разных материа-
лов по различным технологическим процессам.
Примером сварной конструкции из разнородных сталей
может служить ротор газовой турбины (рис. 2.47). По обо-
ду диск подвергается действию высоких температур и отно-
сительно небольших усилий, а центральная часть работает
в условиях невысоких температур и воздействия больших
усилий. Подобрать материал, одинаково хорошо работаю-
щий в заданных условиях, чрезвычайно трудно. Поэто-
му технически и экономически целесообразно изготовить
сварной ротор следующим образом: центральную часть —
из высокопрочной стали перлитного класса, а обод диска —
из жаропрочной аустенитной.
Преимущества комбинированных сварных конструкций,
в которых в качестве заготовок использованы отливки, по-
ковки и листовые заготовки, прежде всего проявляются при
изготовлении тонкостенных протяженных деталей, когда
появляется возможность широко использовать прокат, по-
ковки, отливки, соединить их сваркой в единый конструк-
тивный блок.
Наиболее рациональный технологический процесс изго-
товления сварной детали следует выбирать на основании
анализа нескольких возможных вариантов изготовления ее,
при оценке которых необходимо давать их техническую и
экономическую оценку. В противном случае выбранный
технологический процесс не может расцениваться как ра-
циональный.
Глава 3
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ
В современных условиях происходит интенсивное обнов-
ление материально-технической базы производства. Во мно-
гих случаях моральное старение машин и приборов насту-
пает значительно быстрее их физического старения. Сроки
устойчивого массового или серийного производства изделий
значительно сократились. Это диктует необходимость уско-
рения проектирования и производственного освоения но-
вых, более совершенных машин для оснащения ими отрас-
лей промышленности. При этом обязательными условиями
являются: снижение затрат на подготовку и освоение про-
изводства новых машин, сокращение длительности цикла
подготовки их производства, повышение качества продук-
ции и качества труда на каждом рабочем месте, повышение
эффективности производства.
Для сокращения циклов создания и освоения выпуска
новых машин, приборов и другого оборудования, сниже-
ния их материалоемкости и трудоемкости необходимо, что-
бы новые изделия соответствовали требованиям высокого
уровня технологичности их конструкций.
Обеспечение технологичности конструкций изделий ма-
шиностроения стало общепризнанным требованием. Это обя-
зывает работников машиностроительных предприятий уси-
лить работу по выявлению и использованию резервов во всех
областях производственной деятельности. Важнейшим резер-
вом, позволяющим в значительной мере улучшить технико-
экономические показатели производства и повысить каче-
ство продукции, является постоянное повышение уровня тех-
нологичности конструкций изделий.
Большое число вопросов, возникающих в работе конст-
рукторов и технологов, вызвало, как известно, необходимость
разработки комплекса государственных стандартов по кон-
структорской и технологической документации (ЕСКД и
ЕСТД), технологической подготовке производства (ЕСТПП),
в том числе по обеспечению технологичности конструк-
ций, а также различных отраслевых руководящих материа-
лов (РТМ).
Все группы факторов себестоимости находятся в зависи-
мости друг от друга, так как уже при конструировании из-
178
делии учитываются основные условия производства — тип
производства (единичное, серийное или массовое), приме-
нение в новых машинах уже освоенных в производстве де-
талей и узлов, применение стандартных и унифицирован-
ных деталей, соблюдение требований стандартизации к кон-
структивным элементам и размерам деталей, технический
уровень, достигнутый в отрасли, и др.
Предпочтительным должен считаться конструктивно-тех-
нологический вариант, при котором приведенные затраты
(на производство и на эксплуатацию) минимальны.
Для оценки того, как в конструкции машин учтено вли-
яние технологической группы факторов, применяют термин
«технологичность конструкции».
Из существа применяемых в технической литературе оп-
ределений понятия о технологичности следует разделение
всех конструкций на две группы: технологичные и нетех-
нологичные.
К технологичным группам по этим определениям отно-
сятся такие, изготовление которых связано с наименьшими
производственными затратами, остальные попадают в раз-
ряд нетехнологичных. При таком разделении исключается
применение сравнительных оценок: технологичнее, более или
менее технологичнее ит. д., так как само определение техно-
логичности по минимуму себестоимости предусматривает
только превосходную степень качества, ибо минимум может
иметь только одно значение.
Всякий конструктивный вариант с не наименьшими про-
изводственными затратами должен попадать в группу не-
технологичных. Более того, такое определение технологич-
ности конструкций формально исключает необходимость
совершенствования конструкций, оцененных как техноло-
гичные, утверждая тем самым, что для конкретных произ-
водственных условий при достигнутом техническом уровне
технологии машиностроения этот минимум должен быть
постоянным.
Поэтому правомерно применять к конструкции не кате-
горические определения: технологично или нетехнологич-
но, а сравнительные — технологичнее, более технологична,
весьма технологична.
К нетехнологичным группам следует относить конструк-
ции, изготовление которых данными средствами либо не-
возможно, либо вызывает значительные, неоправданные ус-
ложнения технологических операций и увеличение трудо-
179
емкости, например, изделия с глубокими и узкими внут-
ренними выточками, с очень узкими пазами в деталях, из-
готовляемых холодной штамповкой.
Технологичной считают такую конструкцию, которая по
формообразованию, применяемым материалам и техноло-
гии обработки и сборки обеспечивает наиболее простое и
экономичное изготовление при условии выполнения ею за-
данных функций.
Технологические факторы следует учитывать непосред-
ственно в процессе разработки проекта, начиная с первых
стадий — составления задания на проектирование, где на-
ряду с техническими параметрами должны указываться:
• количество требующихся промышленности и потребите-
лю новых изделий и намечаемый для них тип производства;
• техническая характеристика оборудования предприя-
тия (или предприятий), на котором намечается организо-
вать производство новых изделий;
• перечень, в порядке кооперирования, специализирован-
ных предприятий по поставке литых и штампованных за-
готовок, комплектных узлов и агрегатов;
• требования к конструктивной преемственности нового
изделия с находящимися в производстве.
Эти и другие дополнительные условия будущего произ-
водства обязывают конструкторов разрабатывать проект с рас-
четом соответствия технического уровня проектируемого из-
делия условиям производства и прогрессивной для него техно-
логии. Прочностные требования и конфигурация деталей,
обусловливающие выбор литых, штампованных или свар-
ных заготовок и марки материалов, унификация конструк-
тивных элементов деталей, применение стандартных и уни-
фицированных узлов и деталей и ряд других технологиче-
ских условий, влияющих на себестоимость, могут и долж-
ны соблюдаться конструкторами в процессе конструирова-
ния для достижения минимальной трудоемкости (себестои-
мости) изделий.
Участие специалистов-технологов непосредственно в про-
цессе конструирования особенно необходимо в тех случаях,
когда для выбора оптимального конструктивного решения
требуется произвести углубленную технологическую про-
работку (включая составление технологического процесса)
конструктивных вариантов со всеми расчетами, требующи-
мися для их технико-экономической оценки.
180
3.1. Технологические требования
к конструкции литых деталей
Соответствие конструкции отливки требованиям техно-
логии и экономики литья устанавливают на первом этапе
проектирования технологического процесса — при анализе
технологичности конструкции отливки.
Под технологичностью литых деталей принято понимать
прежде всего выбор таких конструктивной формы и мате-
риала литой детали, которые, не снижая основных конст-
руктивных требований, способствуют получению качествен-
ных отливок с заданными физико-механическими свойства-
ми, требуемой геометрией и минимальной трудоемкостью.
Нетехнологичные конструкции литых деталей, сконструи-
рованные без учета особенностей литейного производства,
могут привести к повышению трудоемкости и себестоимос-
ти отливок, перерасходу металла и образованию дефектов.
При определении себестоимости заготовки основной ба-
зой для расчета является ее масса. Поэтому снижение мас-
сы деталей, изготовляемых из литых заготовок, при про-
чих равных условиях (сложность конфигурации, марка
материала, способ изготовления и т. п.) — одна из важней-
ших задач конструкторов и технологов.
Масса каждой конкретной литой заготовки зависит от гео-
метрической формы, размеров, сечения отдельных конструк-
тивных элементов ее. Из этого следует, что при проектирова-
нии литых деталей необходимо стремиться к максимально
возможному снижению их массы и упрощению конфигура-
ции, оставлять размеры детали минимально необходимыми
исходя из условий расчетной прочности и других конструк-
тивных требований. При этом должны быть учтены все тех-
нологические особенности литья и обеспечена возможность
применения простых и дешевых способов получения каче-
ственных литых деталей как в процессе их изготовления,
так и при дальнейшей механической обработке.
Конструкция литой детали во многом определяет эконо-
мичность выбранного технологического процесса литья. По-
этому, прежде чем приступить к проектированию заготовки,
необходимо убедиться в том, что данная деталь является тех-
нологичной именно для данного, выбранного способа литья.
В случае выявления нетехнологичности литых деталей
в чертеж готовой детали необходимо внести конструктив-
ные изменения, т. е. откорректировать чертеж готовой де-
тали с учетом требований и возможностей выбранного спо-
181
соба литья. Эти изменения должны быть согласованы с кон-
структором, технологом-литейщиком и технологом по ме-
ханической обработке.
В себестоимость отливок входит размер брака в преде-
лах, минимально допустимых для каждого конкретного про-
изводства. Значительные потери от брака могут повлиять
на экономические показатели, поэтому технологические
требования к конструкции литых деталей необходимо рас-
сматривать прежде всего как основные меры по устране-
нию причин брака в литых деталях.
При конструировании литых деталей должны соблюдать-
ся требования общей литейной технологии, изложенные
в РТМ 12-60 «Элементы конструкции литых деталей» и
ОСТ 3-1284-72 «Отливки. Конструктивные элементы». Ниже
рассмотрены основные принципы конструирования литых
деталей, изготавливаемых в песчано-глинистых формах. Для
более подробного ознакомления можно рекомендовать ра-
боты [1, 19, 30].
Конструкция литой детали должна обеспечивать направ-
ленное затвердевание отливки и быть технологичной. Внеш-
ние контуры литой детали должны быть плавными, что
снижает концентрацию остаточных напряжений в местах
сопряжения прямоугольных участков, уменьшает торможе-
ние усадки при охлаждении формы. Необходимо стремить-
ся к уменьшению общих габаритных размеров литой дета-
ли, особенно ее высоты, к устранению чрезмерно выступа-
ющих частей, тонкостенных ребер большой протяженнос-
ти, глубоких впадин и поднутрений.
В целях уменьшения трудоемкости изготовления и сбор-
ки форм, снижения брака по перекосу и искажению конст-
рукция литой детали должна обеспечивать минимальное
количество разъемов модели, отсутствие отъемных частей,
минимальное количество стержней. При конструировании
литых деталей следует соблюдать правило «теней». Если
при освещении литой детали параллельными лучами в на-
правлении, перпендикулярном к плоскости разъема фор-
мы, появляются теневые участки, это свидетельствует о
несовершенстве ее конструкции. Такую конструкцию необ-
ходимо пересмотреть, в противном случае трудоемкость ее
изготовления значительно увеличится за счет необходимос-
ти применения формы с отъемными частями (рис. 3.1).
Наиболее существенное влияние на массу детали оказы-
вает толщина стенок, ребер, фланцев и других конструк-
тивных элементов.
182
Однако уменьшение тол-
щины конструктивных эле-
ментов отливки допустимо
только в определенных пре-
делах, ограниченных усло-
виями прочности, литей-
ными свойствами сплавов
и возможностями выбран-
ного способа литья. Прак-
Неправильно
Рис. 3.1. Правило теней
Правильно
тикой установлены опти-
мальные значения толщины стенок, ребер и других конст-
руктивных элементов отливок в зависимости от литейных
свойств сплавов, средней массы отливки и характера произ-
водства. В работе [1] даны конкретные рекомендации для
определения толщины стенок литых деталей, которые в ос-
Прибыль
Рис. 3.2. Схема
проверки сече-
ний по методу
вписанных ок-
ружностей
новном сводятся к следующему.
Толщину стенок литых деталей определяют в зависимос-
ти от механических и технологических свойств сплава, кон-
фигурации и габаритных размеров детали, способа ее полу-
чения. Правильно выбранная толщина стенок обеспечивает
необходимые жесткость, герметичность и является одним
из важнейших условий получения годных отливок с высо-
ким коэффициентом использования металла. Чрезмерно
толстые стенки увеличивают массу детали, вызывают появ-
ление усадочной рыхлости и пористости, сни-
жают прочность изделий. Очень тонкие стен-
ки при литье получить невозможно из-за боль-
шого брака по незаполнению формы, трещи-
нам и прочим дефектам (табл. 3.1).
При конструировании литых деталей необ-
ходимо стремиться, по возможности, к одина-
ковой толщине стенок по всему сечению, избе-
гать локального скопления металла, так назы-
ваемых горячих мест или термических узлов.
Термический узел — место локального скопле-
ния металла, которое дольше остается горячим,
дольше затвердевает и где больше вероятность
образования усадочных рыхлости и раковин.
Правильность конструкции в этом случае
проверяют методом вписанных окружностей,
суть которого заключается в том, что окруж-
ность, вписанная в любое сечение отливки,
должна беспрепятственно «выкатываться»
в направлении прибыли (рис. 3.2).
183
Таблица 3.1
Наименьшие толщины стенок отливок,
получаемых литьем в песчано-глинистые формы
Материал Размеры отливки Наименьшая толщина стенки, мм
Сталь Мелкие 8
Средние 12
Крупные 20
Чугун серый обычный и с шаровидным гра- фитом Мелкие (масса до 2 кг) 3-4
Средние (масса до 50 кг) 6-8
Крупные (масса св. 50 кг) 10-20
Чугун ковкий Наибольшие размеры стенки, мм: 50x50 2,5-3,5
100x100 3,0-4,0
200x200 3,5-5,5
350x350 4,0-5,5
500x500 5,0-7,0
Бронза оловянная Наибольшая длина стенки, мм: до 50 3
св. 50 до 100 5
» 100 » 250 6
» 250 » 600 8
Бронзы специальные и латуни Мелкие 6
Средние 8
Бронза кремнистая — 4
Алюминиевые сплавы Мелкие при наибольшей длине стенки, мм, не более: 200 3-5
800 5-8
Магниевые сплавы Мелкие 4
Средние при длине стенки не бо- лее 400 мм 6
Цинковые сплавы — 3
184
Рис. 3.3. Исключение термического узла изменением
конструкции детали
В зависимости от конфигурации детали соотношения диа-
метров двух рядом лежащих окружностей рекомендуется брать
в пределах от 1,0 до 1,1 или
от 1,0 до 1,5. Если конструк-
цию литой детали трудно
выполнить с соблюдением
принципа направленного
затвердевания (рис. 3.3, а),
то следует применять спе-
циальные технологические
приливы, объединяя терми-
ческие узлы в один укруп-
ненный (рис. 3.3, б), или ис-
пользовать конструктивные
ребра жесткости (рис. 3.3, в).
Наименьшую толщину
стенки литых деталей мож-
но определить в зависимо-
сти от сплава по графикам
(рис. 3.4). Для деталей пря-
моугольной формы приве-
денный габаритный размер
N определяется по форму-
ле [1]
N = 2L + B + H (31)
где L,BviH — соответствен-
но длина, ширина, высота
детали.
Рис. 3.4. Графики для определения
толщины стенок отливок [1]
185
Для стальных и чугунных литых деталей при N > 8 тол-
щину стенок принимают соответственно 40 и 30 мм. Для
медных и алюминиевых сплавов с приведенным габаритом
N < 0,1 минимальную толщину стенок можно принять: 4 мм
для безоловянных сплавов; 2,5 мм для оловянных спла-
вов; до 2 мм для алюминиевых сплавов.
Толщина стенок чугунных литых деталей, габаритные
размеры которых меньше 0,5 м, может быть принята
1,5-2,0 мм, стальных — 4-5 мм. Учитывая более низкую
жидкотекучесть высокопрочного и модифицированного чу-
гунов, толщину стенок литых деталей из них следует уве-
личивать на 15-20 % по сравнению с серыми чугунами.
Толщину внутренних стенок принимают равной: для чу-
гунных и алюминиевых отливок на 10-20 % меньше тол-
щины наружных, для стальных — на 20-30 %, для мед-
ных сплавов — на 15-20%. Толщину стенок литых де-
талей из легированных сталей принимают на 20-30 %
меньше, чем однотипных деталей из углеродистых сталей.
Толщину краев стенок крупногабаритных литых деталей
рекомендуется увеличивать для выравнивания температу-
ры по сечению при охлаждении и уменьшения остаточных
напряжений (табл. 3.2). Прочность следует повышать не за
счет увеличения толщины стенок, а приданием стенкам ко-
робчатого, U-образного или ребристого профиля (рис. 3.5),
что упрощает литейную технологию и снижает соответствен-
но себестоимость.
В литых деталях со стенками разной толщины, с резкими
и неправильно выполненными переходами между сечения-
ми, с большими скоплениями металла возникают значитель-
ные внутренние напряжения, приводящие к короблению
Таблица 3.2
Соотношение размеров краев стенок
отливок
Эскиз S, мм $1, мм А, мм
До 16 0,5 1,0
<5
Св. 16 до 25 0,6 1,5
S Св. 25 до 36 0,7 1,8
Св. 36 0,8 2,0
и трещинам, усадочным
раковинам и пористости.
На рис. 3.6, а дан при-
мер возможного образо-
вания брака при непра-
вильном конструирова-
нии литой детали: в мес-
тах скопления металла —
усадочная раковина, в мес-
тах сопряжения массив-
ной и тонкой частей
отливки — трещина. На
рис. 3.6, б показан при-
мер устранения указан-
186
OluH
Рис. 3.5. Технологичные сечения
литых деталей
а-) б)
Неправильно Правильно
Рис. 3.6. Конструкция втулок
с фланцами
ного брака, что одновременно приводит и к снижению массы
детали.
Очень важно при конструировании литой детали осуще-
ствить правильное сопряжение стенок отливки. Практикой
литейного производства установлены следующие типы со-
пряжения стенок: угловое, тавровое, V-, вилко-. К-, Х-,
крестообразное (табл. 3.3).
Таблица 3.3
Элементы сопряжения стенок отливок
187
Продолжение табл. 3.3
Характер
сопряжения
Эскиз
Характер
сопряжения
Эскиз
$« l,25$i;
а > 75°;
R = г + Л + S]
S = 1.25S];
а = 75-105°;
R= r+S
S > 25 мм;
Sj/S > 2/3;
/>S + Si;
Г] = 0.3S;
r=S;
fl=(S + 3S])/2
S = 1,25$];
a < 75°;
$2 = $i + Л;
$i = r + $2
Примечание. Значения г определяются по графикам рис. 3.8 с учетом
угла сопряжения а.
РТМ 12-60 регламентирует соотношения переходов сече-
ний в лобовых, угловых и тавровых сопряжениях, там же
установлены необходимые размеры для радиусов сопряжения.
Неправильно выполненные сопряжения могут привести к об-
разованию неисправимого литейного брака (усадочных рако-
вин и рыхлостей). На рис. 3.7 представлены некоторые типы
соединений, приводящие к образованию литейного брака.
На качество литой детали большое влияние оказывает пра-
вильный выбор радиусов закруглений (галтелей) в местах
Рис. 3.7. Сечения и конструктив-
ные элементы, приводящие к по-
явлению литейного брака
переходов от одних сечении
к другим. Практикой установ-
лено, что слишком малый ра-
диус закруглений приводит
к образованию трещин, чрез-
мерно большой — к появлению
усадочной рыхлости. Вслед-
ствие конструктивных ошибок
при выборе радиусов сопряже-
нии отдельных деталей могут
быть серьезные аварии в про-
цессе эксплуатации изделий.
Для литых деталей опти-
мальный радиус закруглений,
обеспечивающий получение
188
Сталь и
Чугуны,
алюминиевые
и магниевые сплавы
25 50 75 100 125
Средняя толщина стенки отливки, мм
Рис. 3.8. Графики для определения радиусов закругления г
при сопряжении элементов литой детали для различных
углов сопряжения а [1]:
№... 1 2 3 4 5 6
а . . .. Св. 165 135-165 105-135 75-105 50-75 До 50
наиболее качественного металла, в
основном зависит от тол-
щины стенок отливки (рис. 3.8). При этом следует соблюдать
следующие требования.
Закругления необходимо производить из одного центра
(рис. 3.9, а) как для внутреннего, так и для наружного ради-
усов, если сопрягаются стенки одной толщины. Внутренние
радиусы при сопряжении стенок разной толщины (рис. 3.9, б)
определяют значениями, приведенными в табл. 3.4.
Для отливок из серого чугуна рекомендуются следую-
щие радиусы закруглений: 1, 2, 3, 5, 8, 10, 16, 20, 25,
32, 40 мм, при этом радиусы выбирают в пределах
1/5 -ь 1/3 среднего арифметического от толщины сопрягаемых
стенок. Радиусы за-
круглений литых дета-
лей из цветных метал-
лов и сплавов выбира-
ют по табл. 3.5.
Совместными воз-
действиями конст-
руктивных и техноло-
Рис. 3.9. Схема сопряжения стенок отлив-
ки: а — одной толщины; б — различной
толщины
гических мероприя-
тий можно предупре-
дить возникновение
189
Таблица 3.4
Внутренние радиусы г
при сопряжении стенок разной толщины в литых деталях
Отноше- ние сопря- гаемых стенок S/$l Минимальная толщина стенки или ребра, мм
До 6 Св. 6 до 10 Св. 10 до 15 Св. 15 до 20 Св. 20 до 25 Св. 25 до 35 Св. 35 до 45 Св. 45 до 60 Св. 60 до 80 Св. 80 до 100
Св. 1 до 2 5 8 10 12 15 20 25 30 40 50
Св. 2 до 3 8 10 12 15 20 25 30 40 50 —
Св. 3 10 12 15 20 25 30 40 50 — —
внутренних напряжений, трещин и коробления литых
деталей.
Ребра жесткости применяют для увеличения жесткос-
ти и прочности литых деталей, усиления нагруженных мест
без увеличения толщины стенок, предотвращения коробле-
ния выступающих тонкостенных элементов. Ребра жестко-
сти позволяют уменьшить сечение отдельных элементов
деталей, снизить внутренние напряжения в местах сопря-
жения стенок различной толщины, а также способствуют
предотвращению коробления или брака по трещинам.
При конструировании ребер
Таблица 3.5 Радиусы закруглений для отливок из цветных металлов и сплавов, мм жесткости нужно пользоваться следующими положениями. Тол- щина наружных ребер жесткости не должна превышать 0,8 толщи-
(S + S0/2 г ны сопрягаемой стенки. Внутрен-
До 12 6 ние ребра из-за более медленного охлаждения металла выполняют менее массивными: толщина их
Св. 12 до 16 8
Св. 16 до 20 10 составляет 0,6-0,7 толщины со-
Св. 20 до 27 12 прягаемой стенки. При большей толщине ребер возможно появле- ние усадочной рыхлости или тре- щин в местах скопления металла
Св. 27 до 35 16
Св. 35 до 45 20
Св. 45 до 60 25 на стыке ребра жесткости и пере- хода от одной стенки к другой (рис. 3.10). В местах сопряжения ребер жесткости с сечениями тела
Св. 60 до 80 32
Св. 80 до 110 36
Св. 110 до 150 40 детали в ребрах жесткости предус-
Св. 150 до 200 50 матривают отверстия с целью ис- ключить образование усадочных
190
Рис. 3.10. Конструкция ребра жесткости
дефектов. Форма ребер жесткости должна обеспечивать их
свободную деформацию при усадке металла во время охлаж-
дения отливки, поэтому им придают криволинейную форму.
Ребра жесткости располагают в плоскости разъема формы
или перпендикулярно к ней, чтобы избежать применения
отъемных частей модели.
В некоторых случаях для повышения жесткости детали
в направлении, перпендикулярном к стенкам, вместо ребер
жесткости применяют двойные стенки (рис. 3.11).
В стенках литых деталей для снижения усадочных на-
пряжений предусматривают конструктивные отверстия —
окна овальной или круглой формы (рис. 3.12). Особенно они
необходимы в литых деталях со стенками значительной про-
тяженности. Конструкция и размеры
окон определяются исходя из прочно-
стных расчетов стенки детали.
Однако отверстия, предусмотрен-
ные в чертеже литой детали, не во
всех случаях возможно и целесообраз-
но выполнять при литье. Технически
возможно получение отверстий лить-
ем, если их диаметры не превышают
20 мм при массовом, 30 мм при се-
рийном, 50 мм при единичном про-
изводствах.
Для чугунного литья при единич-
ном и мелкосерийном производствах
литые отверстия выполняют, когда их
диаметры не меньше: для мелкого —
15 мм; для среднего — 20 мм; для
крупного — 30 мм.
Литую деталь необходимо констру-
ировать с минимальным количеством
бобышек, приливов и буртов, так как
Рис. 3.11. Использование
двойных стенок в конст-
рукции литых деталей
191
Рис. 3.12. Конструктивные отверстия в литых де-
талях
они образуют локальное скопление металла и, следователь-
но, являются причиной возникновения усадочных раковин
и рыхлости, требуют применения отъемных частей формы,
что в конечном счете удорожает стоимость отливки. Если
расстояния между центрами бобышек равны или меньше
расстояний, указанных в табл. 3.6, то отдельно стоящие
бобышки конструктивно соединяют в одну (рис. 3.13).
Высота бобышек, платиков, пальцев и других приливов
не должна превышать толщины стенки, на которой они
находятся. Сопряжения бобышек и приливов со стенкой
детали должны быть плавными, без резких углов и перехо-
дов. Наружные диаметры бобышек при наличии отверстия
рекомендуется назначать с учетом толщины стенки отлив-
ки, на которой расположена бобышка (табл. 3.7).
При конструировании литой детали необходимо избегать
узких и глубоких впадин.
Зависимость расстояния между выступающими частями L
от высоты этих частей детали Н,
включая припуск на механическую обработку
Н.мм . . . 8 9-15 16-25 26-50 51-100 Св. 100
L, мм ... 1.9Н 1.6Н 1.4Н 1,2Я 60 70
Узкие полости, различного рода пазы и выемки также
являются одной из причин, вызывающих брак литых дета-
Рис. 3.13. Конструкции выступающих частей отлив-
ки: а — нетехнологичная; б — технологичная
192
лей, поэтому конструк-
тору следует по возмож-
ности избегать примене-
ния подобного рода эле-
ментов.
При всех способах
литья, кроме литья по
выплавляемым и гази-
фицируемым моделям,
применяются формы
с одной или нескольки-
ми плоскостями разъ-
ема, поэтому для бес-
препятственного удале-
ния литых деталей из
Таблица 3.6
Минимальные расстояния между центра-
ми бобышек, отливаемых раздельно, мм
Диаметр резьбовых крепежных отверстий, мм Размер А (рис. 3.13, а) при литье
в песчаные формы В кокиль и под давлением
До 4 25 15
Св. 4 до 6 30 18
Св. 6 до 10 30 22
Св. 10 до 14 40 30
Св. 14 до 18 50 38
формы конструктор должен предусмотреть так называемые
конструктивные уклоны, назначаемые на стенки, перпен-
дикулярные к плоскости разъема (табл. 3.8).
Определенные требования накладываются и на конструк-
цию литых деталей типа втулок с фланцами, маховиков,
шкивов, зубчатых колес и т. п. При неправильном констру-
Таблица 3.7
Зависимость наружного диаметра бобышки от диаметра отверстия
Эскиз Диаметр отверстий, мм Наружный диаметр бобышки, мм
D г Ег d < 40 D > 2,2d
d = 40 + 80 D>l,8d
d > 80 D > 1,2 + (3 + 6)S
При тощине стенок отливки менее 15 мм D > 1,2 + (4 - 8)S
Таблица 3.8
Параметры уклонов в зависимости от высоты элемента поверхности детали
Эскиз h, мм a/h Конструктив- ный уклон
g До 25 1:5 11° 30'
л Св. 25 до 500 1:10 5° 30'
1:20 3°
Св. 500 1:50 1°
193
ировании втулок с фланцами, особенно из сплавов с боль-
шой объемной усадкой, в местах скопления металла и пос-
ле затвердевания отливки могут образоваться усадочные
раковины. Поэтому при конструировании следует вырав-
нивать сечения за счет применения ребра жесткости или
введения кольцевой канавки (рис. 3.14, а-г).
При конструировании фланцев с толщиной стенки, рез-
ко отличающейся от толщины основного тела отливки, не-
обходимо предусматривать плавный переход с конусностью
1:5. При конструировании маховиков и шкивов следует
учитывать возникающие при охлаждении отливок внутрен-
ние напряжения, которые могут служить причиной возник-
новения трещин и коробления. При толстостенной ступице
большой протяженности в ней следует предусматривать
кольцевые выемки для выравнивания сечения. Внутренние
напряжения в отливках маховиков с прямыми спицами
снижаются при нечетном числе спиц. При четном числе
спицы следует выполнять изогнутыми (рис. 3.14, д). Сече-
ния спиц должны иметь форму, приведенную на рис. 3.14, е.
Рис. 3.14. Конструктивные элементы деталей маховиков и зубчатых колес
194
Таким образом, чем ниже технологические свойства спла-
вов, тем более жесткие требования должны быть предъявле-
ны к конструкции литых деталей, особенно к наличию «теп-
ловых узлов», толщине стенок, радиусам и галтелям. В ли-
тых деталях, получаемых из сплавов, склонных к образова-
нию усадочных рыхлот и пористости (сталь, цветные сплавы,
высокопрочный чугун), необходимо, как уже указывалось
выше, обеспечить направленное затвердевание, снизить тер-
мические напряжения, возникающие вследствие неодинако-
вой скорости охлаждения отдельных частей отливки. Если
термические напряжения превысят предел упругости, то мо-
гут возникнуть остаточные деформации (коробление), а в слу-
чае превышения предела прочности материала литая деталь
может разрушиться. Поэтому во избежание коробления и
трещин литых деталей из сплавов с низкими литейными свой-
ствами при конструировании следует придерживаться сле-
дующих правил.
Поперечным сечениям литых деталей необходимо прида-
вать по возможности форму, обеспечивающую свободную усад-
ку. Для исключения коробления литые детали нужно конст-
руировать со стенками, незначительно различающимися по
толщине. Стенкам значительной протяженности лучше при-
давать не прямолинейную, а изогнутую форму. Для умень-
шения коробления, а также для увеличения жесткости ре-
комендуется предусматривать конструктивные или техноло-
гические ребра жесткости (последние удаляют при механи-
ческой обработке).
Изложенные выше правила очень важны, и выполнение их
является обязательным при конструировании литых деталей.
Однако каждый специальный способ литья имеет свои особен-
ности, которые также необходимо учитывать при разработке
конструкции литой детали. Поэтому при переводе с литья
в песчаные формы на какой-либо из специальных способов
литья (в кокиль, в оболочковые формы, под давлением и т. д.)
требуется внести в чертеж готовой детали необходимые конст-
руктивные изменения. Эти изменения могут заключаться
в корректировке толщины стенок, а также в снижении (если
это допустимо) шероховатости и точности размеров ряда по-
верхностей в целях получения последних без последующей
механической обработки, введении ребер жесткости, исполь-
зовании стенок коробчатого или таврового сечения и т. д. Ниже
будут рассмотрены технологические особенности основных
видов литья, области их применения, возможности и эконо-
мическая целесообразность использования этих способов.
195
Технологические требования к конструкции литой детали
при использовании литья в оболочковые формы те же, что и
при литье в песчано-глинистые формы. Однако специфика
изготовления оболочковых форм предопределяет ряд требо-
ваний к конструкции детали с точки зрения ее технологич-
ности. Поэтому проектирование технологического процесса
изготовления отливки начинается с оценки возможности
изготовления ее литьем в оболочковые формы. Конструктор
вместе с технологом-литейщиком должны производить отра-
ботку конструкции детали, чтобы учесть особенности техно-
логического процесса этого способа литья.
Конструкция детали должна удовлетворять следующим
основным требованиям.
1. Конфигурация детали должна обеспечивать возмож-
ность извлечения модели из формы с минимальным коли-
чеством стержней. Лучшие результаты по точности и чис-
тоте поверхности отливок получаются, если вся отливка
размещается в одной полуформе.
2. Не рекомендуется переводить на литье в оболочковые
формы глубокие коробчатые конструкции, так как при обыч-
ных приемах формовки из-за высокой текучести песчано-
смоляных смесей формы получаются разностенными.
3. При литье в оболочковые формы можно выполнять
тонкие ребра, четкие художественные рельефы, острые углы.
Однако толщину стенок не рекомендуется проектировать
менее 2-2,5 мм для мелкого литья и 3-4 мм для среднего
литья. При этом необходимо учитывать жидкотекучесть
сплава и конфигурацию отливки. Оптимальная толщина
стенок отливок лежит в пределах 2-8 мм.
4. Отливка должна иметь равномерную толщину стенок.
Следует по возможности избегать сочетания массивных и
тонких частей, так как применение холодильников и при-
былей усложняет изготовление оболочек и снижает произ-
водительность труда. В массивных частях литых деталей
необходимо выполнять отверстия, углубления, применять
для обеспечения необходимой прочности коробчатые, тав-
ровые и ребристые сечения.
5. Во избежание образования трещин, усадочных рако-
вин и рыхлости между отдельными частями литых деталей
должны быть обеспечены плавные переходы, оформляемые
радиусом или галтелью. В зависимости от толщины стенок
и вида заливаемого металла радиусы округления назнача-
ют равными 1, 2, 3, 5, 8 или 10 мм. Для стальных отливок
радиусы округления должны быть не менее 3 мм. Переход-
196
ный угол для оформления различных утолщений на отлив-
ке следует брать 30-45°.
6. Для свободного съема оболочки с модели стенки пос-
ледней должны иметь конструктивные уклоны в пределах
0,5-5,0°.
7. При толщине стенок 10-12 мм можно выполнять от-
верстия диаметром до 6 мм, при большей толщине стенок
отверстия малого диаметра выполнять нецелесообразно.
Припуск на механическую обработку выбирают в зави-
симости от конструктивных особенностей и размеров дета-
ли. Например, если наибольший размер детали до 50 мм,
то назначают припуск 0,3 мм на сторону; если размеры де-
тали 50-250, 250-500 и более 500 мм, то припуск на сторо-
ну соответственно составляет 0,5-0,7, 0,7-1,0 и 1,2-2,0 мм.
Все перечисленные выше требования должны быть по воз-
можности учтены конструктором при выпуске чертежей де-
талей, изготавливаемых литьем в оболочковые формы.
При конструировании деталей, получение которых пред-
полагается осуществлять путем литья по выплавляемым мо-
делям, необходимо соблюдать требования, изложенные в ра-
боте [1], а также технологические особенности этого спосо-
ба [23].
1. Минимально возможная толщина стенки отливки для
большинства сплавов составляет 1,5-2,0 мм при протяжен-
ности стенки до 50 мм. Отдельные кромки отливок могут
иметь толщину 0,7-0,8 мм и протяженность не более 10 мм.
Оптимальная толщина стенок отливки составляет 6 мм, так
как при большей толщине и недостаточном питании отлив-
ки жидким металлом могут появиться усадочные и газовые
раковины и пористость.
2. Следует избегать местных утолщений и резких пере-
ходов от толстого сечения к тонкому. Отношение толщин
сопрягаемых стенок не должно превышать 1/4.
3. Во избежание коробления литых деталей с тонкими
стенками протяженностью более 150 мм либо со стенками
неравномерной толщины необходимо предусматривать тех-
нологические окна (отверстия) или ребра жесткости.
4. Отверстия в отливках можно получить любой формы —
сквозные и глухие. Оформление в отливках отверстий диа-
метром менее 3 мм затруднительно из-за сложности изготов-
ления качественной керамической оболочки. Отверстия диа-
метром 3-5 мм рекомендуется выполнять в отливках только
в тех случаях, когда при изготовлении отливок используют
сплавы, не поддающиеся механической обработке, или ког-
197
да положение оси отверстия не связано с базами жесткими
допусками, или когда эти допуски могут быть выдержаны
при литье. Сквозные отверстия рекомендуется выполнять
в отливках при отношении их глубины к диаметру не более
2 :1, а глухие — при отношении 1:1. Отверстия малого диа-
метра в стенках большой толщины выполняют при помощи
трубок, залитых в отливке.
5. Как показывает практика литья по выплавляемым мо-
делям, изготовление резьбы в отливках нецелесообразно, так
как качество резьбы получается хуже, чем при механичес-
кой обработке. Только при получении отливок из труднооб-
рабатываемых сплавов резьбу следует получать литьем.
6. Сопряжение стенок следует оформлять по радиусам
или галтелью.
7. Формовочные уклоны устанавливают в соответствии
с ГОСТ 3212-80*.
8. Полости в отливках должны иметь выходные отвер-
стия, необходимые для получения качественной оболочки
(рис. 3.15). В полости детали (рис. 3.15, а) может обра-
зоваться воздушная подушка под оболочкой во время опус-
кания модели в обмазку. В конструкции, приведенной на
рис. 3.15, б, внутренняя оболочка получается более каче-
ственной и устойчивой.
9. Прямые стенки большой протяженности рекомендует-
ся заменять искривленными или предусматривать в них
технологические окна для увеличения жесткости конструк-
ции отливки.
10. При данном способе литья наиболее качественными
получаются сложные корпусные, компактные детали, поэто-
му желательно объединять несколько деталей в одну с по-
следующим их разделением тем или иным способом. Круп-
ные плоскостные детали, наоборот, целесообразно расчленять
на более мелкие с по-
следующей сборкой от-
дельных частей.
Возможность пере-
вода детали на литье
в металлические фор-
мы определяется тех-
нологичностью конст-
рукции и требования-
ми к ней технических
условий. Чем сложнее
отливка, тем больше
198
а) Неправильно б) Правильно
Рис. 3.15. Формирование полостей в отлив-
ках при литье по выплавляемым моделям
затраты на изготовление формы, меньше ее стойкость, выше
себестоимость литья. Соответствие конструкции отливки тре-
бованиям технологии устанавливают при анализе техноло-
гичности конструкции отливки, который проводится с уче-
том общих требований, предъявляемых к конструкции от-
ливки, и в частности, при литье в металлические формы.
Выбор деталей для перевода их на литье в кокиль начи-
нают с изучения чертежа детали. В первую очередь необхо-
димо выявить экономическую целесообразность примене-
ния кокильного литья, литейные свойства сплава, соответ-
ствие конструкции детали условиям литья в кокиль, кото-
рые в основном сводятся к следующему.
1. Отливки должны иметь простую форму, без выступов,
острых углов, поднутрений и т.п., чтобы легко было извле-
кать их из формы. Полость отливки следует выполнять ми-
нимальным количеством стержней. Разъем формы должен
быть плоским, что удешевляет ее изготовление и увеличива-
ет точность отливки. Конусность стенок металлической фор-
мы и металлических стержней должна быть достаточной для
быстрого извлечения из формы, в противном случае из-за
затрудненной усадки могут возникнуть остаточные напря-
жения и трещины. Конусность стенок формы выбирают
в пределах 0,5-1,0°, металлических стержней — 1,5-3,0°.
Отливка не должна иметь резких переходов от стенок од-
ной толщины к стенкам другой толщины. Чтобы устранить
возможность образования усадочных раковин и снизить гид-
равлическое сопротивление формы движению металла при
заливке, следует приме-
нять плавные переходы
толщин стенок отливки.
Минимальную толщину
стенки отливки можно
выявить по диаграмме
рис. 3.16 в зависимос-
ти от габаритных раз-
меров отливки. Вели-
чину N определяют по
формуле (3.1), кроме это-
го, можно воспользовать-
ся данными, представ-
ленными в табл. 3.9.
2. Ребра, бобышки и
в
ж
3
иные выступы должны
быть расположены пер-
40
s* 35
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Приведенный габаритный
размер отливки N, м
Рис. 3.16. Диаграмма для определения ми-
нимальной толщины стенки отливки [21]
199
Таблица 3.9
Минимальные толщины стенок отливки, мм
Материал Размеры отливки Кокиль
без стержней и со стерж- нями метал- лическими с песчаными стержнями
Магниевые сплавы Мелкие 4 3
Средние 6 5
Алюминиевые сплавы Площадь поверхности, см2: 6-160 2,8
161-600 3,2 —
601-1200 3,6 —
1201-2400 4,3 —
Алюминий-кремний Площадь поверхности стенок не более 30 см2 3 2
Бронза оловянная Площадь поверхности стенок 30 см2 4 3
Бронза специальная 6 5
Чугун Площадь поверхности стенок, см2: До 25 4 3
25-125 5-10 4-8
Кольцевые 11-18 9-15
Сталь углеродистая из электропечей: Мелкие 6 4
кислых Средние 16 10
Крупные 20 15
основных Мелкие 8 —
Средние 16 —
Крупные 25 —
пендикулярно к плоскости разъема формы, что устраняет
применение дополнительных стержней или отъемных час-
тей. Не следует допускать двустороннюю механическую
обработку стенок отливки, так как припуск при этом уве-
личивает разностенность, а при обработке резанием удаля-
ется наиболее качественный слой металла. Литым деталям,
200
Таблица 3.10
Минимальные размеры отверстий, выполняемых в кокильных отливках
Сплавы Диаметр отверстия в отливках, мм Отношение глуби- ны к диаметру для отверстий Конус- ность, 0
мелких средних крупных глухих сквозных
Свинцово-оловя- нистые 1,0 1,5 — 3-6 1,5-10 0,2
Цинковые, маг- ниевые 6,0 7,0 8,0 2-3 3-6 2-3
Алюминиевые 8,0 10,0 12,0 2 — 1,5
Чугунные 10,0 15,0 20,0 1,5-2 2-3 2-3
Медные — 13,0 14,0 — — 1,5
Стальные 20,0 30,0 40,0 — — 4-5
изготавливаемым из сплавов с большой линейной усадкой
и имеющим значительную плоскую поверхность, следует
придавать изогнутую форму или необходимо применять
ребра жесткости.
3. В отливке следует избегать глубоких отверстий мало-
го диаметра (табл. 3.10).
Если по условиям эксплуатации детали требуется поверх-
ность более высокого качества, а размеры более точные, чем
это можно обеспечить при литье, принимают на механи-
ческую обработку припуски (табл. 3.11 и 3.12). Допуски
на размеры отливок из чугуна и стали можно выбирать
по 2-му классу точности по ГОСТ 1855-55 и ГОСТ 2009-55.
Допускаемые отклонения размеров отливок из цветных спла-
вов устанавливают по нормали НО.010.006, припуск на
механическую обработку — по РТМ 516-64.
Преимущества и недостатки процесса являются комплек-
сом взаимосвязанных факторов, от которых зависит реше-
ние конкретных конструкторских задач при проектирова-
нии детали для литья под давлением. При разработке черте-
жа готовой детали необходимо учитывать все технологичес-
кие требования, предъявляемые к литым деталям, а также
те специфические требования, которые следует внести в чер-
теж детали при изготовлении ее литьем под давлением.
Наружные контуры отливок при литье под давлением
весьма разнообразны и сложны, однако для уменьшения
коробления детали следует избегать чрезмерного увеличе-
ния одного размера в сравнении с двумя другими.
201
Таблица 3.11
Припуски на механическую обработку
и допуски на размеры кокильных отливок из черных металлов
Наиболь- ший размер ОТЛИВКИ, мм Припуск, мм, на одну сторону поверхности Наибольшие допускаемые отклонения, мм, на размеры рабочих поверхностей отливок
нижней или наружной боковой внутренней боковой верхней механически обрабатываемых литых
До 20 0,7 0,8 1,0 ±0,3 ±0,5
21-40 1,0 1,2 1,5 ±0,4 ±0,6
41-60 1,2 1,4 1,7 ±0,5 ±0,8
61-100 1,4 1,6 2,0 — ±1,0
101-160 1,6 1,8 2,2 ±0,6 —
161-250 2,0 2,2 2,5 ±0,8 ±1,2
251-400 2,2 2,4 2,7 ±1,0 —
401-600 2,6 2,8 3,0 — ±1,4
601-1000 3,0 3,2 3,5 ±1,2 —
1001-1600 3,2 3,4 4,0 — ±1,5
При конструировании выступающих элементов или от-
верстий, расположенных на одной оси, но оформляемых
в неподвижной и подвижной частях пресс-формы, необхо-
димо учитывать отклонение от соосности (эксцентриситет)
до 0,1-0,15 мм.
Стенки отливки следует предусматривать возможно оди-
наковой толщины в целях устранения термических узлов,
в которых образуются воздушная, усадочная пористости или
раковины. Оптимальная толщина стенки 4-5 мм; у отли-
вок с толщиной стенок более 6-8 мм появляются усадочная
рыхлость, газовые раковины и пористость из-за попадания
газов и воздуха в металл при заливке. Тонкостенные же
отливки имеют по всему сечению мелкозернистую структу-
ру и более высокую прочность.
Стенки в деталях следует предусматривать минимальной
толщины, а в случаях недостатка жесткости или прочнос-
ти — укреплять стенки ребрами жесткости. Толщина ребер
жесткости должна составлять 0,8-0,9 толщины стенки. При-
меры конструктивных решений при проектировании отли-
вок даны на рис. 3.17. В табл. 3.13 представлены значения
202
Таблица 3.12
Припуски на механическую обработку кокильных отливок
из алюминиевых сплавов
Длина отливки, мм Ширина (диаметр), мм Припуски, мм, на одну сторону поверхности
нижней или наружной боковой внутренней боковой верхней
До 20 До ю 0,7 0,8 1,0
11-20 0,8 0,9 1,2
21-30 До 15 0,9 1,0 1,3
16-30 1,0 1,2 1,5
31-40 До 20
21-40 1,1 1,3 1,6
41-60 До 20 1,2 1,4 1,8
21-60 1,4 1,6 2,1
61-80 До 30
31-80 1,5 1,8 2,2
81-100 До 50
51-100 1,8 2,1 2,7
101-150 До 51 1,9 2,2 2,8
151-200 До 100 2,0 2,4 3,0
101-200 2,3 2,7 3,4 —
201-300 До 150 2,5 3,0 3,7
301-400 151-300 2,8 3,3 4,2
рекомендуемых толщин стенок отливок, получаемых из не-
которых сплавов [4].
При сочетании толстых и тонких стенок необходимо обес-
печить плавные переходы, причем соотношение толщин
Рис. 3.17. Примеры конструктивных решений при
проектировании отливок:
I — неправильно; II — правильно
203
Таблица 3.13
Минимальные толщины стенок в литых деталях (мм),
получаемых литьем под давлением
Площадь поверхности отливки, см2 Сплавы
цинковые магниевые алюминиевые медные стали
До 25 0,8 1,3 1,0 1,5 —
Св. 25 до 100 1,0 1,8 1,5 2,0 3,0
Св. 100 до 225 1,5 2,5 2,0 3,0 —
Св. 225 до 400 2,0 3,0 2,5 3,5 —
Св. 400 до 1000 — 4,0 4,0 — —
стенок на этих участках не должно превышать 1:2,5. Стен-
ки и ребра жесткости, расположенные в плоскости, перпен-
дикулярной к плоскости разъема формы, должны иметь ко-
нусность для облегчения извлечения отливки из формы. Для
стенок и ребер жесткости, располагающихся в плоскости,
параллельной плоскости разъема, конусность не назначает-
ся. Конструктивный уклон выбирают в зависимости от мар-
ки материала, высоты и толщины стенки (табл. 3.14).
Следует отметить, что для сплавов, характеризуемых
большой усадкой, значения литейных уклонов, представ-
ленные в табл. 3.14, должны быть увеличены.
Учитывая, что детали, полученные литьем под давлени-
ем, не требуют механической обработки, конструктор при
разработке чертежа готовой детали должен учесть, что пресс-
форма имеет основную плоскость разъема между подвижной
и неподвижной частями. В результате возможного неполно-
го смыкания этих частей образуется зазор, куда в момент
заполнения формы по-
Таблица 3.14 падает расплавленный
Конструктивные уклоны для отливок из некоторых сплавов металл и где могут об- разоваться заливы. Это
Сплавы Конструктивные уклоны, % от высоты стенки для поверхности обстоятельство приво- дит к искажению раз- меров отливки.
наружной внутренней Допускаемые откло-
Цинковые 0,3-0,5 0,5-1,0 нения на размеры отли- вок из цветных сплавов назначают по межве-
Алюминиевые 0,5-1,0 1,0-1,5
Медные и маг- ниевые 1,0-2,0 — домственной нормали НО.010.006. Значения
204
Таблица 3.15
Поля допусков размеров отливок
Сплавы Поле допус- ка на размер до 25 мм Увеличение поля допуска на 1 мм увеличения размера, мм Приращение поля допуска при площади проекции отливки на плоскость разъема, см2
Св. 25 до 500 Св. 500 До 150 Св. 150 до 300 Св. 300 до 600 Св. 600 до 1200
Цинковые 0,10 0,002 0,002 0,15 0,20 0,30 0,40
Алюминиевые и магниевые 0,15 0,0025 0,20 0,25 0,40 0,60
Медные 0,25 0,006 0,004 0,35 — — —
полей допусков указаны в табл. 3.15, однако, как известно,
смещение подвижных частей в плоскости формы уменьшает
точность размеров отливки, что приводит к увеличению поля
допуска. Припуски на механическую обработку (табл. 3.16)
назначаются по РТМ 516-64.
Отверстия в отливках могут быть получены без последу-
ющей механической обработки, если они соответствуют раз-
мерам, приведенным в табл. 3.17.
Элементы резьбового соединения с наружной и внутрен-
ней резьбой могут быть выполнены непосредственно при ли-
тье. Получение литьем наружной резьбы в большинстве слу-
чаев не вызывает особых сложностей, в то время как получе-
ние внутренней резьбы сопряжено с большими трудностями
из-за обжатия резьбового стержня сплавом и невозможности
оформления резьбы вставками. Поэтому целесообразно изго-
товление деталей с внутренней резьбой только из сплавов
с небольшой усадкой, например цинковых. Технически воз-
можные размеры резьбы указаны в табл. 3.18.
Таблица 3.16
Припуски на механическую обработку наружных поверхностей отливок
из цветных сплавов, мм
Наибольший габаритный размер, мм Припуски при номинальном размере, мм
До 50 Св. 50 до 120 Св. 120 до 260 Св. 260 до 500
До 50 0,3 — — —
Св. 50 до 120 0,4 0,5 — —
Св. 120 до 260 0,5 0,7 0,8 —
Св. 260 до 500 0,7 0,8 1,0 1,0
205
Таблица 3.17
Предельные размеры отверстий, получаемых при литье под давлением, мм
Сплавы Мини- мальный диаметр, мм Максимальная глубина отверстия, мм, выраженная в диаметрах Конусность отверстия, % ОТ длины
глухого СКВОЗНОГО
Цинковые 1,0 6,0 12 0,2-0,5
Магниевые 1,5 5,0 10 0,3-0,5
Алюминиевые 3,0 6 0,5-1,0
Медные 2,6 4 0,8-1,5
Таблица 3.18
Параметры резьбы, получаемой в отливках
Сплавы Минимальный шаг резьбы, мм Минимальный диаметр резьбы, мм
внутренней наружной наружной внутренней
Цинковые 0,7 1,0 4,0 10,0
Магниевые, алюминиевые 1,0 2,0 6,0 25,0
Медные — — 8,0 —
Примером получения резьбовых отливок могут служить
крепежные детали из цинкового сплава: барашковые и кол-
пачковые гайки, барашковые винты и т. п. Одним из основ-
ных преимуществ способа литья под давлением является
возможность получения армированных отливок. Использо-
вание арматуры позволяет решить множество конструктор-
ских задач. К их числу относятся:
• получение отливок с местным увеличением прочности
детали;
• придание отдельным элементам отливки особых физи-
ко-технических свойств (износоустойчивости, электро-, теп-
лопроводности, электромагнитных свойств и т. п.);
• конструирование узлов, состоящих из различных ма-
териалов;
• экономия дефицитных материалов;
• формообразование сложных, внутренних полостей, си-
стемы разветвленных, изогнутых каналов и т. д.
Арматура и отливка могут соединяться за счет сжимаю-
щих напряжений, возникающих в отливке при ее охлажде-
нии и усадке, а также за счет диффузионных процессов (на
206
стыке арматура — отливка). Конструкция арматуры и ее
расположение в отливке должны исключать возможность
смещения арматуры под действием струи металла при за-
ливке формы.
Технологичность литых деталей, получаемых способом
центробежного литья, зависит от типа формы. Если это по-
стоянная металлическая форма, то необходимо соблюдать
все требования, которые предъявляются к отливкам, полу-
чаемым литьем в кокиль. Если это разовая форма, то требо-
вания к конструкции детали определяются возможностями
литья в песчано-глинистые или керамические формы.
3.2. Технологические требования
к конструкции деталей,
получаемых обработкой давлением
При разработке чертежа детали, получаемой горячей
объемной штамповкой, необходимо учитывать реализацию
всех возможностей этого процесса. Прежде всего, это отно-
сится к качеству поверхности.
Из приведенных в табл. 3.19 параметров шероховатости
поверхности деталей после штамповки, строгания, точения
Таблица 3.19
Шероховатость поверхности, получаемой различными способами обработки
Параметр шероховатости Rz, мкм
160-80 80-40 40-20 20-10 10-6,3 6,3-3,2 3,2-1,6
Фрезерование черновое
+ +
Горячая штамповка, точение черновое, строгание черновое
+ + +
Горячая штамповка повышенной точности
+ + +
Строгание чистовое, фрезерование чистовое
+ + +
Точение чистовое
+ -1- + +
Холодная калибровка
+ + + +
207
и фрезерования видно, что во многих случаях штампо-
ванная поверхность вполне удовлетворяет требованиям,
предъявляемым к деталям с точки зрения эксплуатации и
эстетичности.
Следует также учитывать требования, обусловленные
особенностями объемной штамповки, к геометрической фор-
ме и размерам детали. В некоторых случаях необходимо
проверить возможность и рациональность изменения кон-
струкции отдельных ее элементов (без ущерба для качества
и эксплуатационных характеристик) для упрощения кон-
фигурации поковки в целях облегчения заполнения полос-
ти ручья штампа.
Общие конструктивные требования к деталям, изготав-
ливаемым горячей объемной штамповкой, следующие.
1. Сопряжения необрабатываемых поверхностей должны
быть оформлены радиусами, которые необходимы как для
улучшения условий заполнения металлом полостей штам-
па (внутренние радиусы), так и для повышения стойкости
штампов (наружные радиусы). Радиусы регламентированы
ГОСТ 7505-74*.
2. На необрабатываемых поверхностях, перпендикуляр-
ных к плоскости разъема штампа, следует предусматривать
штамповочные уклоны, необходимые для свободного удале-
ния поковки из полости штампа. Штамповочные уклоны
зависят от типов штампа и оборудования и должны быть
в пределах от 1 до 10°. При штамповке на прессах штампо-
вочные уклоны уменьшаются, так как конструкция прессов
позволяет применять специальные приспособления-выталки-
ватели, предназначенные для принудительного извлечения
поковки из полости штампа. При штамповке на горизонталь-
но-ковочных машинах благодаря наличию подвижной разъем-
ной матрицы штамповочные уклоны еще меньше.
3. Допускаемые отклонения размеров поковок на необ-
рабатываемые поверхности назначают в соответствии
с ГОСТ 7505-74*.
4. Для упрощения конструкции поковки, повышения и
улучшения условий заполнения гравюры штампа в отдель-
ных случаях целесообразно разделять деталь на две или боль-
шее число частей, штампуемых порознь, которые впослед-
ствии соединяются сваркой или иным способом (рис. 3.18, а),
в других случаях, наоборот, целесообразно объединение раз-
личных деталей в одну (рис. 3.18, б).
5. К важным технологическим требованиям, предъявля-
емым к конструкции штампуемых деталей, относится воз-
208
Рис. 3.18. Схема упрощения конструкции поковки: а — за счет разделе-
ния детали; б — за счет объединения двух деталей в одной поковке (S —
толщина реза)
б)
Рис. 3.19. Влияние положения
плоскости разъема на форму по-
ковки
ложность правильного выбора
плоскости разъема штампа,
технологична для горя-
чей объемной штамповки, если
ее конструкция обеспечивает
легкое извлечение поковки из
полости штампа без существен-
ного упрощения формы детали
за счет дополнительного метал-
ла — напуска. Влияние положе-
ния плоскости разъема на фор-
му поковок дано на рис. 3.19.
Черным цветом показаны объ-
емы металла, необходимые для
упрощения формы детали и
обеспечения получения качественной поковки. При изме-
нении плоскости разъема штампа необходимо оценивать
объем заусенца, удаляемого после штамповки, и напуски,
назначаемые для упрощения формы поковки.
В некоторых случаях положение плоскости разъема оп-
ределяется макроструктурой поковки. Например, при штам-
повке шестерен плоскость разъема штампа всегда должна
быть перпендикулярна к оси детали. В этом случае макро-
структура получается одинаковой у всех зубьев шестерни и
обеспечивает их высокую прочность. На рис. 3.20 показан
выбор положения разъема штампа по условиям работы де-
тали. Если деталь работает на срез по линии а—а, то волок-
на металла должны располагаться перпендикулярно к ли-
нии среза (положение плоскости разъема II—II). Положе-
ние плоскости разъема I—I в данном случае нежелательно.
При выборе плоскости разъема штампа необходимо учи-
тывать условия захвата и базовые поверхности при механи-
209
Рис. 3.20. Схема к выбору плоскости разъема с учетом условий работы штампа
ческой обработке. При прочих равных условиях правиль-
ный разъем штампа должен обеспечивать зажим поковки
по цилиндрической части и одинаковый припуск вдоль на-
правления обработки резанием, т. е. напуски должны быть
расположены по «черным», необрабатываемым поверхнос-
тям поковки.
Отступление от технологических требований, предъяв-
ляемых к конструкции штампованных деталей, неизбежно
приведет к увеличению себестоимости заготовок из-за по-
вышения затрат на материалы, механическую обработку и
увеличения процента брака.
При разработке чертежа поковки пользуются ГОСТ 7505-74*,
данные которого распространяются на штампуемые детали
массой до 400 кг, изготовляемые горячей объемной штам-
повкой из черных металлов на различных видах штампо-
вочного оборудования.
Припуски на механическую обработку предусматривают
в том случае, если качество поверхностного слоя поковки
не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к готовой
детали. Припуски назначают либо по всей поверхности де-
тали, либо на отдельные ее элементы, допускаемые откло-
нения — на все размеры поковки, независимо от наличия и
назначения припуска. Допускаемые отклонения на разме-
ры штампованных поковок двусторонние, несимметричные
и включают в себя все отклонения от номинальных разме-
ров поковки. Причины этих отклонений следующие: недо-
штамповка по высоте; износ и неполное заполнение гравю-
ры штампа; поверхностные дефекты материала; колебания
объема исходной заготовки; неравномерная усадка матери-
ала при охлаждении.
При назначении припусков и допускаемых отклонений
размеров необходимо определить массу поковки, категорию
материала и группу сложности поковки.
Различают две категории материала: Ml — углеродис-
тая и легированная сталь с содержанием углерода до 0,45 %
и легирующих элементов до 2 %; М2 — легированные ста-
ли, за исключением указанных в группе Ml.
210
Группу сложности поковки определяют в зависимости от
отношения объема поковки Гпок к объему фигуры в виде
цилиндра или прямоугольного параллелепипеда ГфИГ, опи-
санного вокруг поковки, т. е.
С = ^-. (3.2)
•фиг
ГОСТ 7505-74* предусматривает четыре группы сложно-
сти поковок в зависимости от величины С:
Первая группа — при 0,63 < С < 1,0;
Вторая группа — при 0,32 < С < 0,63;
Третья группа — при 0,16 < С < 0,32;
Четвертая группа — при С < 0,16.
Чем выше группа сложности поковки, тем менее техно-
логична деталь, больше потери металла при механической
обработке, ниже точность поковки.
В некоторых случаях удобно пользоваться критерием
сложности поковки, предложенным авторами.
Считая простейшей фигурой поперечного сечения поков-
ки прямоугольник, критерий сложности можно записать
следующим образом:
где 77в — длина контура верхней гравюры штампа в плос-
кости поперечного сечения поковки; Пи _ длина контура
нижней гравюры штампа; L — длина проекции гравюры
штампа на плоскость разъема.
Слагаемое в числителе, стоящее под знаком модуля, дает
возможность оценить несимметричность поковки относитель-
но плоскости разъема штампа.
На рис. 3.21 представлены поперечные сечения некото-
рых поковок и значения критериев сложности, рассчитан-
ные по формуле (3.3).
Как показывают исследования, с критерием сложности
в тесной зависимости находится стойкость штампов горя-
чего деформирования. На рис. 3.22 представлены отдель-
ные результаты исследований влияния критерия сложнос-
ти на стойкость штампов из сталей 5ХНМ и 4Х5МФС, про-
веденных авторами.
Все пересекающиеся поверхности поковки сопрягаются по
радиусам, все острые кромки на поверхности поковок необ-
ходимо закруглять. Если радиусы закругления не назначе-
211
ны или приняты недо-
статочными, то в мес-
тах их расположения
в штампе возникает
большая концентра-
ция напряжений, что
приводит к быстрому
разрушению штампа.
Значения наружных
радиусов устанавлива-
ют в пределах 1-8 мм
в зависимости от мас-
сы поковок (до 200 кг).
Достаточно, чтобы зна-
чения для этих ради-
усов были на 0,5-1 мм
больше нормального
припуска на механи-
ческую обработку по-
ковки, независимо от
Рис. 3.21. Поперечные сечения поковок и того’ к каким сопря-
значения критерия сложности гаемым поверхностям
относятся эти радиу-
сы — к механически обрабатываемым или нет. Внутренние
радиусы закруглений примерно в три раза больше соответ-
ствующих наружных радиусов.
Материал штампа
Критерий сложности поковки
Рис. 3.22. Влияние на стойкость штампов сложности поковки
из материала:
1 — ЗЗХС; 2 — 45Х
212
Практика штамповки показала, что конструктивные эле-
менты поковок из цветных сплавов отличаются от таких
же элементов стальных поковок. Припуски и допускаемые
отклонения размеров на поковки из цветных сплавов реко-
мендуется назначать по ОСТ или ведомственным нормалям,
например по ОСТ 3-4026-78.
Штампованные поковки из алюминиевых и магниевых
сплавов, подвергаемые очистке поверхности травлением,
должны изготавливаться с той же точностью, что и поков-
ки, не подвергающиеся механической обработке.
На поковки из титановых сплавов, поверхности которых
не подлежат механической обработке, а поверхностный слой
металла удаляется травлением, устанавливают дополнитель-
ный припуск 0,5 мм. Если же поверхности штампованных
поковок подлежат механической обработке, то дополнитель-
ный припуск на травление не назначается.
Припуски и допускаемые отклонения размеров поковок,
штампуемых на ГКМ, определяют по ГОСТ 7505-74* с уче-
том тех же факторов, что и при штамповке на молотах или
прессах. Поскольку ГКМ обладают меньшей жесткостью, чем
кривошипные горячештамповочные прессы, поковки, изго-
тавливаемые на них, по размеру припусков и допусков бли-
же к молотовым, чем к прессовым. Штамповочные уклоны
на участках поковки, формуемых в полости пуансона: на-
ружные 15'-1°, внутренние ЗО'-2°. Для участков, формуемых
в матрице, наружные уклоны не предусматриваются, а внут-
ренние составляют 1-5°. Наружные радиусы закруглений при-
нимают равными размеру припуска на механическую обра-
ботку, внутренние — в 1,5-2 раза большими.
Основные показатели технологичности листовых холод-
ноштампованных деталей — наименьший расход материа-
ла, минимальное число и низкая трудоемкость операций,
отсутствие последующей механической обработки, наимень-
шее количество требуемого оборудования и производствен-
ных помещений, минимальное число оснастки при сокра-
щении затрат и сроков подготовки производства, увеличе-
ние производительности отдельных операций и цеха в це-
лом. Общий результативный показатель технологичности —
наименьшая себестоимость штампуемых деталей.
При конструировании деталей, изготавливаемых спосо-
бами листовой штамповки, необходимо учитывать техноло-
гические требования к конструкции листовых штампован-
ных деталей. Основные из них следующие.
213
1. Механические свойства листового материала должны
соответствовать не только требованиям прочности и жест-
кости изделия, но также формоизменению и характеру пла-
стических деформаций. Для формоизменяющих операций
следует применять более пластичный, хотя и менее проч-
ный материал, так как в процессе холодной штамповки про-
исходит его упрочнение, значительно увеличивающее ха-
рактеристики прочности материала.
2. Необходимо создавать легкие и облегченные конст-
рукции деталей, применяя для увеличения жесткости
штамповку ребер жесткости, отбортовку, загибку, закатку
кромок и т. д., а также заменять тяжелые стандартные
прокатные профили более легкими — гнутыми из листово-
го металла.
3. Конфигурация детали или ее развертки должна обес-
печивать наивыгоднейшее использование листового метал-
ла — применение малоотходного или безотходного раскроя.
Если отход неизбежен, то желательно придать ему конфи-
гурацию, соответствующую другой детали, или использо-
вать его вторично.
4. Следует широко применять технологичные штампо-
сварные конструкции взамен литых, кованых или клепаных.
5. Необходимо использовать штамповочные методы для
сборки отдельных деталей путем расклепки, отбортовки, по-
лой высадки, загибки кромок и лапок, закатки шва и т. п.
Кроме указанных общих требований к конструкции штам-
пованных деталей существуют специфичные требования,
присущие отдельным операциям листовой штамповки.
Основные технологические требования к конструкции
плоских деталей, получаемых вырубкой или пробивкой:
1) необходимо избегать сложных конфигураций с узки-
ми и длинными вырезами контура или очень узкими про-
резями (& > 2S, где Ъ — ширина прорези, S — толщина ли-
стовой заготовки);
2) важно выполнять сопряжения сторон наружного кон-
тура с закруглениями лишь при вырубке детали по всему
контуру; для возможности применения безотходного рас-
кроя следует, наоборот, допускать сопряжения сторон под
прямым углом;
3) необходимо избегать вырубки длинных и узких дета-
лей постоянной ширины при Ь > 3S, заменяя вырубку рас-
плющиванием проволочной заготовки;
4) не следует располагать отверстия в заготовке, подле-
жащей гибке, близко к радиусу закругления детали; наи-
214
меньшее расстояние от края отверстия до загнутой полки
а > г + 2S, где г — радиус изгиба;
5) в вытянутых деталях, которые имеют отверстия в дне
или фланце, пробиваемые после вытяжки, расстояние от
стенки детали до края отверстия С > г + 0,5S, где г — ради-
ус закругления дна или фланца;
6) наименьшее расстояние между отверстиями при одно-
временной их пробивке L = (2 + 3)S.
При проектировании гнутых деталей необходимо учиты-
вать технологические требования к конструкции изогнутых
листовых деталей:
1) минимально допустимые радиусы изгиба следует при-
менять лишь при конструктивной необходимости; в боль-
шинстве случаев можно применить увеличенные радиусы
гибки: г > S (для толстых заготовок еще большие);
2) в случае гибки пластичных металлов (стали 10, 20)
с малым радиусом закругления линию изгиба желательно
располагать поперек волокон проката;
3) при гибке твердых малопластичных материалов (брон-
за, сильно наклепанная латунь, лента пружинной стали и
др.) линию изгиба следует располагать обязательно попе-
рек волокон проката; наименьший радиус изгиба берется
в пределах (2 + 4)S;
4) для увеличения жесткости гнутых деталей и устране-
ния упругого пружинения рекомендуется штамповка ребер
жесткости поперек угла изгиба;
5) наименьшая высота отгибаемой полки h > 3S;
6) в случае многооперационной гибки необходимо пре-
дусматривать технологические базы для фиксирования за-
готовок на операциях.
При проектировании деталей, получаемых вытяжкой или
формовкой, необходимо учитывать следующие технологи-
ческие требования:
1) избегать весьма сложных и несимметричных форм
вытягиваемых деталей, использовать их лишь в случае яв-
ной конструктивной необходимости;
2) радиусы закруглений фланца должны быть больше,
чем радиусы закруглений у дна; сопряжение стенок с дном
без радиуса закругления может быть выполнено путем до-
полнительной калибровки или при штамповке весьма тол-
стых заготовок;
3) избегать глубоких вытяжек с широким фланцем, тре-
бующих большого числа операций;
215
4) полуоткрытые несимметричные формы полых деталей
следует проектировать, учитывая возможность спаренной
вытяжки с последующей разрезкой на две детали;
5) в прямоугольных коробках избегать острых углов
в плане и у дна детали, кроме случаев изготовления коро-
бок методом холодного выдавливания;
6) при вытяжке полых деталей сложной конфигурации
предусматривать те или иные технологические базы для
фиксирования заготовок на операциях.
Анализ технологичности штампуемых деталей проводится
обязательно с учетом конкретных производственных усло-
вий и масштаба производства. При массовом производстве
штампуемых деталей основными показателями при оценке
технологичности являются расход материала и трудоемкость
изготовления. Действительно, при изготовлении деталей сот-
нями тысяч или миллионами единиц эти факторы приобре-
тают решающее значение. Уменьшение трудоемкости изго-
товления может быть достигнуто совмещением операций,
применением сложных штампов-автоматов, автоматических
линий. Связанное с этим удорожание производства оказы-
вает малое влияние на себестоимость продукции, так как
затраты распределяются на большое число штампуемых де-
талей.
Одной из основных технологических характеристик при
гибке является минимально допустимый радиус изгиба (ра-
диус пуансона). Минимально допустимые радиусы изгиба
должны соответствовать пластичности металла и не допус-
кать образования трещин на наружной поверхности метал-
ла (табл. 3.20).
При снятии деформирующих усилий после гибки проис-
ходит упругая разгрузка, в результате чего размеры детали
изменяются. Последеформационная упругая деформация
при гибке носит название пружинения. Для получения точ-
ных размеров гнутых деталей необходимо учитывать значе-
ния угла пружинения (см. справочники по листовой штам-
повке, в частности [40] и работы [7,10]).
Для компенсации пружинения применяют различные
способы: увеличивают углы подгибки на угол пружинения,
применяют гибку с калибровкой (подчеканкой), использу-
ют специальные штампы с компенсатором.
Для определения минимально допустимого радиуса из-
гиба г при получении профилей в многопарнороликовых
профилеровочных машинах авторами предложена зависи-
216
Таблица 3.20
Минимально допустимые радиусы изгиба [9]
Материал Расположение изгиба по отношению к направлению волокон проката
поперек ВДОЛЬ
Алюминий, медь отожженная, латунь 0 0,3
Стали 08-10, Ст 1, Ст 2 0 0,4
Стали 35-40, Ст 5 0,3 0,8
Стали 55-60, Ст 7 0,7 1,3
Сталь коррозионно-стойкая 12Х18Н9Т 1,0 2,0
Дуралюмин: мягкий 1,0 1,5
твердый 2,0 3,0
Титановые сплавы при нагреве до 300-400 °C: ВТ1 1,5 2,0
ВТ5 3,0 4,0
мость исходя из максимальных деформаций поверхностных
растянутых слоев металла в месте изгиба:
2-exp(zn)
Г 0 2[ехр(т)-1]’
(3.4)
где Sq — толщина материала до деформации; т = Ln (1 + 3m) —
коэффициент, характеризующий предельно допустимую мест-
ную деформацию; Ln — длина участка деформации; 5т —
предельно допустимая местная относительная деформация
образца при испытании на одноосное растяжение.
3.3. Технологические требования
к упрочняющей обработке деталей машин
Теоретические исследования и изучение влияния упроч-
няющей обработки на долговечность деталей позволили
к настоящему времени внедрить в практику всех отраслей
машиностроения надежные способы упрочнения. Их мож-
но распределить на следующие основные группы: терми-
ческое и термохимическое упрочнение; износостойкие и про-
217
тивокоррозионные покрытия; упрочнение поверхностных
слоев механическим воздействием на качество и структуру
поверхностных слоев.
Термические и термомеханические способы упрочнения
Упрочнение деталей термической и термохимической
обработкой широко применялось в машиностроении и рань-
ше. Еще большее развитие эти способы получили благода-
ря достижениям в области поверхностной закалки с нагре-
вом токами высокой частоты и насыщения поверхностных
слоев металла деталей в газовых и жидких средах. Совме-
щение этих прогрессивных методов, значительно интенси-
фицирующее процессы химико-термической и химической
обработки, позволяет осуществлять ее на отдельных участ-
ках, исключать общий длительный нагрев деталей и свя-
занные с ним деформации их формы.
Для упрочнения деталей в зависимости от химического
состава материала и требований к повышению их износо-
стойкости и прочности применяют следующие основные
виды термической и термохимической обработки:
• поверхностную закалку с нагревом токами высокой час-
тоты (ТВЧ), а в отдельных случаях (при больших габарит-
ных размерах деталей в единичном и мелкосерийном про-
изводствах) газопламенными горелками;
• газовую или жидкостную цементацию с последующей
поверхностной закалкой;
• газовое или жидкостное цианирование;
• азотирование;
• алитирование, силицирование, сульфидирование.
Непосредственная поверхностная закалка эффективно
применяется для повышения износостойкости и усталост-
ной прочности деталей, изготовляемых из углеродистых,
низколегированных и легированных сталей.
Закалка с нагревом ТВЧ наибольшее применение имеет
при изготовлении зубчатых колес, валиков (в местах сопря-
жения с подшипниками скольжения), внутренних поверх-
ностей в гильзах, цилиндрах и других деталях, входящих в
соединения и работающих в условиях трения скольжения, и
многих других типов деталей, для которых очень важно ис-
ключить (или уменьшить) закалочные деформации.
Поверхностная закалка с местным нагревом подлежащих
упрочнению конструктивных элементов деталей газовым
218
пламенем применяется в тех случаях, когда изготовление
специальных индукторов для нагрева ТВЧ неэкономично
из-за малой их применяемости, например для упрочнения
шеек крупных валов, зубьев больших модулей на колесах
большого диаметра, опорных бандажей большого диаметра,
направляющих в станинах молотов и станков и тому подоб-
ных стальных и чугунных деталей.
Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ, благодаря своим
технологическим преимуществам (соблюдение заданной тол-
щины закаленного слоя, уменьшение по сравнению с объем-
ной закалочных деформаций), во многих случаях позволяет
изготовлять детали из среднеуглеродистых сталей с содер-
жанием углерода до 0,34 % вместо малоуглеродистых с це-
ментацией. Это обеспечивает за счет исключения затрат на
цементацию значительное (в 3-4 раза) снижение затрат на
термообработку деталей и повышение их прочности.
Опыт применения поверхностной закалки показывает, что
для повышения усталостной прочности оптимальной явля-
ется глубина слоя d = (0,05 + 0,15)Z>.
Упрочняющий эффект поверхностной закалки еще более
возрастает от последующей дробеструйной обработки. Это
совмещение необходимо, кроме того, и для снятия остаточ-
ных закалочных напряжений, в таких, например, деталях,
как зубчатые колеса, клапаны, пальцы, коленчатые валы.
Цементация с последующей закалкой — наиболее широ-
ко применяемый способ химико-термической обработки бла-
годаря возможности подвергать цементации многообразную
номенклатуру малоуглеродистых и легированных сталей.
Оптимальное повышение углерода в цементационном слое
находится в пределах 0,8-1,05%. При более высоком со-
держании углерода происходит снижение прочности при
изгибе на 15-20%, а предела выносливости на 20-30%.
Не рекомендуется оставлять на окончательное шлифование
закаленных поверхностей большие припуски, так как это
приводит к снижению оптимальной твердости после обра-
ботки. Нельзя также допускать обработку с большой глуби-
ной шлифования и крупнозернистыми кругами. Вызывая
большие растягивающие усилия в поверхностном слое, гру-
бое шлифование снимает остаточные напряжения сжатия и
тем самым снижает предел выносливости.
Цианирование — распространенный способ химико-тер-
мической упрочняющей обработки. При этом способе проис-
ходит одновременное насыщение поверхностного слоя металла
и углеродом, и азотом. Глубина насыщенного слоя может
219
назначаться в широких пределах — от 0,05 до 2,5 мм —
в зависимости от размеров деталей и требующейся степени
упрочнения.
Для деталей, работающих со знакопеременными нагруз-
ками, глубина цианированного слоя должна находиться
в пределах d = (0,03 0,05)1) (или толщины, если деталь
не цилиндрическая). Твердость закалки следует назначать
в пределах 700-800 HV.
Опыт работы показывает, что глубина цианированного слоя
у зубчатых колес, работающих при трении качения с про-
скальзыванием, должна назначаться в зависимости от на-
грузки. Для зубчатых колес из стали 38Х коробки передач
легковых автомобилей глубина цианированного слоя на зубе
0,15 мм обеспечивает достаточное упрочнение. У таких же
колес для грузовых автомобилей, работающих с большими
нагрузками, глубина цианирования увеличивается до 0,25 мм,
что обеспечивает повышение долговечности этих колес в не-
сколько раз.
Для газового цианирования целесообразно применять
среднеуглеродистые стали, тем более что закалка этих ста-
лей может производиться непосредственно после цианиро-
вания без дополнительного нагрева.
По сравнению с цементацией упрочняющая эффектив-
ность цианирования (по износостойкости) значительно выше
(в 1,5-2 раза). Преимуществом цианирования перед цемен-
тацией являются также меньшие деформации, так как пос-
ле цианирования последующая закалка может производить-
ся без дополнительного нагрева. Недостаток цианирования
заключается в ухудшении условий труда из-за вредности
цианирующих составов.
Азотирование применяется в большинстве случаев для
повышения износостойкости, коррозионной стойкости и
усталостной прочности деталей, изготовляемых из сталей,
содержащих алюминий. Для упрочняющей обработки уг-
леродистых конструкционных сталей азотирование приме-
няется не так широко.
Азотирование как процесс, повышающий коррозионную
стойкость, эффективно применяется для деталей, работаю-
щих в паровоздушной и газовой средах, в воде и во влаж-
ной атмосфере (дизельная аппаратура, гильзы цилиндров
двигателей, компрессоров, насосов, штоки паровых моло-
тов и др.).
Сущность процесса заключается в насыщении поверхно-
стного слоя металла азотом при температурах 560-580 °C.
220
Рациональная глубина слоя находится в следующих преде-
лах: для защиты от коррозии 0,03-0,08 мм, для повыше-
ния износостойкости 0,15-0,2 мм в зависимости от допус-
каемого для деталей размерного износа, для повышения ус-
талостной прочности 0,2-0,5 мм.
Большее увеличение глубины азотирования экономичес-
ки не оправдывается, так как при относительно больших
затратах упрочняющий эффект не только не возрастает,
а наоборот, в ряде случаев снижается.
Конструктивно-технологические особенности этого процес-
са — высокая износостойкость тонких поверхностных слоев
и весьма малые деформации геометрических форм детали —
обусловливают применение азотирования для деталей с не-
большими допусками на износ, с применением после азоти-
рования только тонкой чистовой шлифовки или притирки.
Твердость азотированной поверхности назначается в зави-
симости от эксплуатационных требований к деталям. Для по-
вышения износостойкости эффективна твердость 900-1100 HV;
для повышения усталостной прочности и сохранения вязкос-
ти азотированного слоя твердость следует назначать в преде-
лах 650-700 HV.
Алитирование применяется для повышения жаростой-
кости деталей, работающих при повышенных температу-
рах в газовых средах: коллекторов и экранных труб паро-
вых котлов, топочной гарнитуры и арматуры, сопл котель-
ных форсунок и др. Сущность алитирования заключается
в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали алю-
минием. Алитирование эффективно воспринимают детали
из проката сталей обыкновенного качества и из стальных и
чугунных отливок.
Сульфидирование как упрочняющий процесс имеет срав-
нительно узкое применение. Его эффективность заключа-
ется в повышении сопротивляемости поверхностному схва-
тыванию деталей, контактирующих в подвижных соеди-
нениях с сухим трением скольжения при больших удель-
ных давлениях. Сущность сульфидирования заключается
в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали
серой. Сульфидирование осуществляется в твердых, жид-
ких и газообразных средах при температурах 175-205 °C
(низкотемпературное) или 560-580 °C (высокотемператур-
ное). Глубина сульфидированного слоя назначается в пре-
делах 0,2-0,3 мм.
К процессам химико-термического упрочнения относится
также диффузионное хромирование, применяемое для повы-
221
шения кислотоупорности, износостойкости и усталостной проч-
ности деталей. Сущность хромирования заключается в диф-
фузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом.
Если упрочняющие требования ограничиваются повыше-
нием коррозионной стойкости и кислотоупорности, детали,
подвергавшиеся диффузионному хромированию, не закали-
ваются.
Технологические требования к упрочняющим покрытиям
Упрочнение деталей дополнительными покрытиями их
поверхностей предназначено для защиты от коррозионного
влияния сред, в которых происходит эксплуатация машин,
и для придания изделиям эстетического внешнего вида.
В качестве материалов для таких покрытий применяют мас-
ляные краски, лаки, нитрокраски, эмали, синтетические
пластические материалы, цветные металлы и железо.
Способ нанесения покрытий зависит как от производст-
венных условий, так и от физико-химических свойств мате-
риалов, применяемых для покрытия. Краски, лаки и эмали
наносятся на покрываемые поверхности кистями или пуль-
веризацией с последующим высушиванием покрытий в спе-
циальных сушильных камерах. Выбирают материал для по-
крытия и назначают толщину его слоя с учетом оптимально-
го сочетания технико-экономических требований к качеству
покрытий по его долговечности, эстетическому оформлению
изделия и затратам на производство покрытий, пользуясь
при этом нормативами коррозионной стойкости для каждого
вида покрытия, удельными нормами расхода материалов на
1 м2 покрытия, стоимостью их по прейскурантам, нормати-
вами комплексной трудоемкости производства покрытий.
Металлические покрытия применяются как для корро-
зионной защиты деталей и придания им внешнего вида в
соответствии с требованиями промышленной эстетики, так
и для повышения износостойкости.
Для нанесения металлических покрытий применяют сле-
дующие способы: гальванические, химические, металлиза-
цию, напыление, электродуговую и газопламенную наплав-
ки, электроискровое упрочнение.
Гальванические способы нанесения упрочняющих и за-
щитных покрытий широко применяют во всех отраслях
машиностроения благодаря сравнительной простоте обра-
ботки, возможности нанесения покрытий на детали без де-
222
формаций на конечных стадиях обработки, низкой удель-
ной себестоимости покрытий по сравнению с себестоимос-
тью покрываемых деталей, значительному (в несколько раз)
повышению их долговечности.
Гальваническим способом на поверхности деталей нано-
сятся медь, хром, никель, цинк и другие металлы.
Гальваническое хромирование применяют для повыше-
ния износостойкости и коррозионной стойкости деталей. При
применении хромирования для защиты от коррозии поверх-
ности деталей покрывают промежуточным слоем меди тол-
щиной 0,03-0,05 мм и слоем никеля толщиной 0,015-0,02 мм
или только слоем никеля, после чего наносят слой хрома
толщиной 0,01-0,2 мм.
Для повышения износостойкости слой хрома толщиной
0,1-0,2 мм наносят непосредственно на обезжиренные и очи-
щенные поверхности детали. Для этого предпочтительнее
наносить слой хрома электролитическим способом.
Электролитический хром обладает высокой коррозион-
ной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой
твердостью (1000-1100 HV) и жаростойкостью.
Хромовые покрытия, снижая коэффициент трения, умень-
шают тепловыделение и, следовательно, снижают темпе-
ратуру в зоне трения, повышая износостойкость деталей
в 5-15 раз.
Детали из сталей с высоким содержанием вольфрама и
кобальта, высокоуглеродистых сталей и высококремнистых
чугунов хромировать не рекомендуется из-за слабого сцеп-
ления слоя хрома с основным металлом. Хромовые покры-
тия для повышения износостойкости поверхностей деталей
могут выполняться матово-молочными, молочно-блестящи-
ми и блестящими в зависимости от применяемых режимов
хромирования (температуры электролита и плотности тока).
После хромирования трущиеся поверхности деталей не-
обходимо шлифовать, так как на нанесенном слое, особенно
после анодной обработки, имеются выступы-бугорки высо-
той 0,005-0,008 мм. Толщина хромового покрытия после
шлифования должна быть несколько больше допускаемого
износа.
Осталивание — один из эффективных способов покрытия
поверхностей деталей упрочняющим слоем. Для этого осаж-
дают электролит, состоящий из раствора солей хлористого
железа или железного купороса. В зависимости от соста-
ва электролита и режимов осаждения покрытий получают-
ся мягкие покрытия с твердостью, соответствующей углеро-
223
диетой незакаленной стали, и твердые, приближающиеся
к твердости углеродистой закаленной стали (250-600 HV).
Основное преимущество осталивания заключается в боль-
шой прочности сцепления покрытия с основным металлом.
Эти покрытия не отслаиваются даже при пластических де-
формациях. Осталивание применяется как при ремонте для
восстановления размеров деталей, так и при изготовлении
новых деталей. Себестоимость покрытия осталиванием в два-
три раза ниже, чем хромированием. Толщина слоя после чи-
стовой обработки должна быть не менее 0,3 мм.
Твердое никелирование применяется для повышения из-
носостойкости трущихся поверхностей. Никелевые поверх-
ности имеют меньшую твердость, чем хромовые, но облада-
ют по сравнению с ними следующими преимуществами:
сравнительно легко обрабатываются, имеют большую вяз-
кость даже при больших толщинах слоя, коэффициент ли-
нейного расширения никеля близок к стали. Толщина по-
крытия после шлифования должна быть не менее 0,2 мм.
Борирование заключается в осуществлении дуффузии
бора в поверхностный слой металла с образованием в нем
борида железа, а при наличии углерода — карбидов бора.
После борирования поверхностный слой обладает твердо-
стью 2000-2500 HV. Толщина борированного слоя на низ-
колегированной стали при температуре борирования 950 °C
до 0,3 мм. Дальнейшее увеличение температуры приводит
к возрастанию хрупкости.
Борированный слой не изменяет своих свойств при нагре-
ве до 800 °C, прочность его сцепления с основным металлом
такая же, как у цементованного слоя. Высокая твердость
придает борированному слою высокую износостойкость, бла-
годаря чему этот процесс эффективно применяется для уп-
рочнения деталей машин, работающих в тяжелых абразив-
ных условиях с ударными нагрузками. Примером таких
деталей могут служить втулки буровых насосов, износостой-
кость которых после борирования увеличивается почти в че-
тыре раза по сравнению со втулками, закаленными с нагре-
вом ТВЧ без этой обработки.
Для повышения коррозионной стойкости и износостойкос-
ти деталей применяют оксидирование и фосфатирование, за-
ключающиеся в образовании на поверхностях деталей окис-
ных пленок. При глубоком оксидировании могут быть образо-
ваны пленки толщиной 60 мк с микротвердостью 400-450 ед.
Наряду с гальваническим способом нанесения упрочня-
ющих и защитных покрытий в машиностроении применя-
224
ют также химические способы хромирования, никелирова-
ния, кобальтирования и др.
Сцепление покрытий, нанесенных химическими спосо-
бами, прочнее, чем гальваническими. После термической
обработки покрытий при температуре 350-450 °C прочность
их сцепления с основным металлом еще более возрастает.
Химическое упрочнение рационально применять для де-
талей сложной формы, так как при нем усложнение гео-
метрической формы деталей не вызывает, в отличие от галь-
ванического, увеличения трудоемкости и себестоимости по-
крытий.
Упрочнение наплавлением материалов с более высоки-
ми износостойкими свойствами применяется для повыше-
ния долговечности деталей, работающих в условиях трения
с большими удельными давлениями или в условиях актив-
ного абразивного изнашивания. К таким деталям относят-
ся, например, шестерни стартеров, распределительные ва-
лики, колеса грузоподъемных кранов, грейферы, лопатки
гидротурбин, прокатные валки.
Наплавка быстроизнашивающихся поверхностей позво-
ляет повысить износостойкость деталей в несколько раз при
затратах на наплавку, равных 5-15 % стоимости детали.
Надо отметить, что наплавка упрочнением пока приме-
няется в значительно большей мере для восстановления из-
ношенных деталей при ремонте машин и еще мало вводит-
ся в конструкции быстроизнашивающихся деталей новых
машин.
Применяемые способы наплавки можно разделить на сле-
дующие основные виды: газопламенную, электродуговую
ручную, электродуговую полуавтоматическую. Газопламен-
ная и электродуговая ручная наплавки применяются в ос-
новном на ремонтных работах и в условиях единичного и
мелкосерийного производств. В конструкциях деталей но-
вых машин следует предусматривать полуавтоматическую
и автоматическую наплавки.
В качестве наплавляемых материалов применяют специ-
альные стержневые и порошковые электроды, а для плос-
ких и криволинейных поверхностей — ленточные электро-
ды. Толщину наплавленного слоя можно назначать в зави-
симости от износа, допускаемого эксплуатационными тре-
бованиями, — в диапазоне от 0,5 до 3 мм.
Металлизация, напыление применяются для повыше-
ния износостойкости и коррозионной стойкости поверхнос-
тей деталей.
225
Напыление производится струей сжатого воздуха или
инертного газа (для покрытий с повышенными требования-
ми к упрочнению).
Достоинства металлизации заключаются в возможности
использовать весьма широкую номенклатуру упрочняющих
материалов и экономичности самого процесса, так как он про-
исходит с очень малыми потерями в виде отхода материалов
и с высоким коэффициентом использования энергии. Кроме
того, для металлизации не требуется больших затрат на обо-
рудование и технологическое оснащение. В массовом произ-
водстве процессы металлизации могут осуществляться с вы-
соким уровнем механизации и автоматизации, что обеспечи-
вает минимальные трудоемкость и себестоимость этих работ.
Электроискровое упрочнение применяется для упрочнения
поверхностей деталей, подвергающихся изнашиванию при тре-
нии без смазочного материала (или с небольшим количеством)
с большими удельными давлениями, а также в условиях ак-
тивной эрозии, например букс роликовых подшипников, лопа-
ток газовых турбин, лопаток крыльчаток, дробеметных аппа-
ратов, режущих инструментов, деталей точных приборов.
Нанесение упрочняющего слоя происходит при электро-
искровом разряде между электродом из упрочняющего ма-
териала и покрываемой поверхностью.
В качестве упрочняющих материалов используются вы-
соколегированные стали, твердые сплавы, графит, ферро-
хром и др.
Электроискровое упрочнение по сравнению с другими
способами упрочнения менее производительно, а удельные
затраты (на 1 мм3 упрочняющего материала) в несколько
раз больше, чем, например, при наплавке. Поэтому назна-
чение для деталей упрочнения этим способом должно обо-
сновываться либо требованиями повышенной износостой-
кости, либо конструктивными условиями (небольшая пло-
щадь и толщина упрочняющего слоя, недопустимость вли-
яния остаточных напряжений в наплавленном слое, которые
могут вызвать деформации точных деталей, и т. п.).
Упрочнение деталей пластической деформацией
поверхностных слоев металла
Упрочнение поверхностей деталей механическим воздей-
ствием на них имеет весьма широкое применение благода-
ря относительной простоте процесса и возможности осу-
226
ществления его после завершения окончательной обработ-
ки деталей, так как упрочнение этим способом почти не
вызывает изменения геометрической формы детали.
К этому способу упрочнения относятся:
• для наружных поверхностей — дробеструйный наклеп,
обкатка шариковыми и роликовыми головками, чеканка;
• для внутренних цилиндрических поверхностей — рас-
катка шариковыми и роликовыми головками, дорнирова-
ние, калибрование мерными шариками.
Пластическая деформация поверхностного слоя, происхо-
дящая под воздействием давления упрочняющих инструмен-
тов, воспринимается различными металлами неодинаково.
Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении
марки металла для деталей, подвергающихся упрочнению.
На эффективность упрочнения пластической деформацией
поверхностных слоев металла большое влияние оказывает
также наличие на упрочняемой поверхности концентрато-
ров напряжений: ступеней, кольцевых и продольных кана-
вок и выточек, поперечных отверстий и других конструк-
тивных элементов, нарушающих ее непрерывность.
Для деталей, имеющих на упрочняемых поверхностях
концентраторы напряжений, необходимо назначать мате-
риалы, допускающие и хорошо воспринимающие пласти-
ческое деформирование поверхностного слоя на глубину,
превышающую соответствующие размеры концентраторов.
Упрочнение деталей дробеструйной (дробеметной) обра-
боткой происходит в результате наклепа поверхностного слоя
под воздействием многократных ударов дроби. Для упроч-
нения стальных деталей используют чугунную или сталь-
ную дробь, для деталей из цветных сплавов — алюминие-
вую или стеклянную, ибо обработка их стальной или чу-
гунной дробью вызовет коррозию обработанных поверх-
ностей из-за внедрения в нее стальных или чугунных час-
тиц. Дробеструйная упрочняющая обработка наружных
поверхностей может производиться пневматическими или
центробежными аппаратами, а внутренних — только пнев-
матическими, так как центробежные аппараты не могут обес-
печить струе дроби необходимый угол атаки. На эффектив-
ность дробеструйной упрочняющей обработки имеют влия-
ние следующие основные факторы:
• механические свойства обрабатываемого материала;
• качество дроби и особенно ее скорость;
• продолжительность обработки;
227
• направление потока дроби (угол атаки) на обрабатывае-
мую поверхность;
• плотность покрытия потоком дроби обрабатываемого
участка поверхности;
• расстояние обрабатываемой поверхности от места вы-
лета дроби.
От этих факторов зависят шероховатость обработанной
дробью поверхности, глубина наклепа и значение остаточ-
ных напряжений.
При выборе режимов дробеструйной обработки необхо-
димо назначать такие, при которых достигается максималь-
ная эффективность упрочнения, определяемая так называ-
емым насыщением обработкой, т. е. достижением такого
состояния поверхностного слоя, когда увеличение скорости
дроби и продолжительности обработки не повышает глуби-
ну и степень наклепа.
В табл. 3.21 приведены режимы дробеметного упрочне-
ния некоторых деталей.
Упрочнение дробеструйным наклепом позволяет увели-
чить срок службы коленчатых валов двигателей в 8-9 раз,
спиральных пружин в 10-14 раз, рессор грузовых автомо-
билей — в 12 раз, крупномодульных зубчатых колес —
в 12-14 раз, сварных швов в 3-4 раза, гибочных матриц
штампов в 1,5-2 раза.
Эффект, аналогичный получаемому дробеметной обработ-
кой, дает применение устройства, в котором наклеп осуще-
ствляется центробежной силой шариков, находящихся во
вращающемся сепараторе, ось которого смещена по отно-
шению к оси обрабатываемой детали. С помощью такого
устройства на токарных универсальных станках может про-
изводиться упрочняющая обработка гладких и ступенчатых
валов, коленчатых валов, поршневых колец, штоков моло-
тов и других деталей.
Достигаемая глубина наклепа в мягких материалах
0,8-1,5 мм, в материалах средней твердости 0,4-0,8 мм. Твер-
дость поверхностного слоя после наклепа повышается: сталь-
ных деталей на 25-40 %, чугунных и латунных на 30-60 %.
Упрочнение обкатываемыми роликами и пружинящими
шариками выполняется с помощью свободно вращающих-
ся (одного или нескольких) роликов (шариков), приводи-
мых под давлением в соприкосновение с перемещающейся
упрочняемой поверхностью.
При обкатывании роликами или шариками происходит
смятие шероховатостей предыдущей обработки, что улуч-
228
Таблица 3.21
Режимы наклепа дробью некоторых типичных деталей
Детали d V Q N Режим обработки
Клапанные пру- жины 0,6-0,8 60 100 200-300 Время обработки 10-12 мин
Пружины перед- ней подвески ав- томобиля 0,6-0,8 90 100 4-12 Время обработки 4-6 мин
Листовые рессоры 0,8-1,2 90-100 120-140 4-10 Скорость подачи заготовок 4 м/мин
Полуоси автомо- биля 0,8-1,2 90 120 1 Частота вращения полуоси 30- 50 об/мин, время наклепа на дву- сторонней уста- новке 3,5 мин
Зубчатые колеса из стали 18ХНВА после цементации и закалки 0,8-1 65-70 80-100 4-10 Время обработки 10-14 мин
Зубчатые колеса тягового двигате- ля тепловоза из стали 50 после за- калки с нагревом ТВЧ 0,6-0,8 70-80 80-90 4-10 Время обработки 2-3 мин
Примечание. Принятые обозначения: d — диаметр стальной дроби, мм; v — скорость потока дроби, м/с; Q — расход дроби, кг/мин; N — число одновре- менно обрабатываемых деталей, шт.
шает параметры шероховатости, уменьшает диаметр (или
линейный размер при обкатывании плоской поверхности)
на высоту смятых выступов. Упрочнение обкатыванием
цилиндрических поверхностей производят на токарных стан-
ках, а плоских — на строгальных.
Для упрочнения нежестких деталей обкатка роликами
заменяется обкаткой шариками с помощью головок, в ко-
торых шарики прижимаются к детали усилием, регулируе-
мым пружиной. Обкатка шариками применяется также для
упрочнения галтелей и выточек на валах.
Упрочнение чеканкой заключается в нанесении ударов
бойком по упрочняемой поверхности с помощью механи-
ческого или пневматического устройства. В результате
такого воздействия на обрабатываемую поверхность в по-
229
верхностном слое создаются остаточные напряжения сжа-
тия до 100 кг/мм2. Глубина наклепа чеканкой может до-
стигать 35 мм, а твердость поверхностного слоя повышает-
ся относительно исходной на 30-50 %.
Упрочнение чеканкой эффективно при обработке таких
конструктивных элементов деталей машин, как галтели
валов больших диаметров, сварочные швы.
Упрочнение внутренних цилиндрических поверхностей
пластическим деформированием поверхностного слоя при-
меняется при изготовлении гидроцилиндров, гильз цилин-
дров двигателей, различных втулок и других деталей.
Упрочнение отверстий может осуществляться в зависи-
мости от диаметра и длины отверстия раскатыванием роли-
ками, калиброванием (продавливанием) через отверстие
шарика или дорна.
При раскатывании отверстий обрабатываемая деталь вра-
щается, а обрабатывающему инструменту (раскатке) сооб-
щается поступательное вдоль оси отверстия движение. При
обработке отверстий в деталях, которым нельзя придать
вращательное движение, осуществляется вращение раскат-
ки. Припуск под раскатку после чистового точения или
развертывания должен быть в пределах 0,01-0,02 мм.
Калибрование отверстий шариком выполняется на прес-
сах, оборудованных приспособлениями для установки об-
рабатываемых деталей и для продавливания шарика через
обрабатываемые отверстия. Калибрование шариком приме-
няется для отверстий диаметром до 30 мм, длиной до трех
диаметров.
Упрочнение дорном аналогично калиброванию продав-
ливанием шарика, однако при этом отличаются контуры
рабочей поверхности: контур поверхности дорна схож с кон-
туром раскаточных роликов.
Дорнование обычно применяется для упрочнения отвер-
стий диаметром 30-90 мм. При упрочнении отверстий с боль-
шим отношением длины к диаметру дорнование может осу-
ществляться протягиванием на протяжных станках.
В деталях с дорнированными отверстиями значительно
повышаются (в два-три раза) износостойкость и выносли-
вость. Благодаря тому что дорнование отверстий осуществ-
ляется обычно за один проход при скорости до 10 м/мин,
этот процесс оказывается весьма производительным спосо-
бом отделочной обработки и заменяет тонкое шлифование,
хонингование и полирование.
230
Весьма эффективным методом отделки поверхности для
повышения ее износостойкости является окончательная
обработка гидрополированием. Физическая сущность это-
го процесса заключается в ударном действии абразивных
Таблица 3.22
Эффективность способов упрочнения типичных деталей
Детали Способ упрочнения Степень повыше- ния долго- вечности Прочие показатели
Листовые рессоры транспортных машин Наклеп дро- бью В 2-7 раз Предел выносливости повышается на 93 %
Цилиндрические пру- жины Наклеп дро- бью В 3-10 раз —
Цапфы поворотных ку- лаков автомобилей Наклеп дро- бью В 8-10 раз —
Полуоси троллейбусов и автобусов Наклеп дро- бью В 3-5 раз —
Зубчатые колеса транс- портных машин, стан- ков и других машин, ра- ботающие на изгиб при больших контактных нагрузках Поверхност- ная закалка и последую- щая обработ- ка дробью В 8-12 раз Нагрузочная способ- ность повышается в 1,5 раза
Валки прокатных ста- нов, штоки штамповоч- ных молотов Обкатка ро- ликами В 3-4 раза —
Мелкие и крупные зуб- чатые колеса, кулачко- вые шайбы, поршневые пальцы, тарелки клапа- нов Цемента- ция, закал- ка — Износостойкость по- вышается в 2-10 раз, предела прочности — в 2-3 раза
Детали электровозов и тепловозов, валики, втул- ки рычажной передачи и шарнирных соедине- ний, мелкие шестерни, валики и втулки рессор- ного подвешивания Нитроце- ментация, закалка Износостойкость по- вышается в 10-15 раз, предела прочности — в 2-4 раза
Гильзы цилиндров дви- гателей Хромирова- ние В 3-4 раза Износостойкость по- вышается в 10—15 раз
Торсионные валы Обкатка ро- ликами На 80-100 % —
231
частиц, вызывающих разрушение неровностей на обраба-
тываемой поверхности и изменяющих ее микрогеометрию,
а также образование на поверхности равномерного накле-
па. Химически активные вещества рабочей жидкости об-
легчают разрушение и удаление тонких поверхностных слоев
обрабатываемого металла.
Поверхности, обработанные гидрополированием, не име-
ют направленных слоев обработки и микротрещин, а рас-
пределенные равномерно микроуглубления придают поверх-
ностям ровный матовый вид
По данным ряда исследований, износостойкость поверх-
ностей деталей из стали 38XH3BA и стали 45 при трении
со смазочным материалом после обработки гидрополировани-
ем повысилась на 25-30 % по сравнению с механическим
полированием.
Детали с поверхностями, работающими под воздействи-
ем знакопеременных нагрузок и при вибрациях, после гид-
рополирования также обладают повышенной усталостной
прочностью, что объясняется улучшением микрогеометрии,
не имеющей рисок и других концентраторов напряжений.
Применение гидрополирования особенно эффективно при
обработке фасонных поверхностей.
Большая технико-экономическая эффективность при-
менения упрочняющей обработки обязывает конструкто-
ров и технологов уже в процессе разработки конструкций
новых машин назначать тот или иной способ упрочнения
как обязательное условие обеспечения требующегося каче-
ства детали.
В табл. 3.22 приведены сведения об эффективности уп-
рочнения некоторых типичных деталей.
3.4. Формализация понятия «технологичность детали*
При проектировании технологических процессов загото-
вительного производства одним из основных этапов являет-
ся оценка технологичности детали для выбранного способа
получения заготовки. Предложенная методика позволяет
не только количественно оценить технологичность, но и со-
поставить различные процессы получения заготовок по это-
му показателю.
Технико-экономические показатели, от которых зависит
целесообразность изготовления деталей тем или иным спо-
собом, закладываются еще на стадии конструирования.
232
Заданные конструктором конфигурация, размеры, марка
материала, технические требования во многом определяют
технологию их изготовления. Это обстоятельство является
причиной возможных конфликтов с изготовителями деталей,
поскольку предлагаемые проектные решения не всегда учи-
тывают возможности и особенности производства.
Решение возникающих проблем возможно на одной из
стадий конструкторско-технологической подготовки произ-
водства — стадии отработки детали на технологичность,
когда определяется степень соответствия детали требовани-
ям того или иного способа ее получения. Процесс этот твор-
ческий и заключается в достижении компромисса между
интересами конструктора и технолога.
Под технологичностью детали принято понимать, насколь-
ко данная деталь соответствует требованиям конкретного
производства, насколько она обеспечивает долговечность и
надежность конструкции в целом в условиях эксплуатации.
Очевидно, что изготовление технологичной детали в задан-
ных масштабах производства обеспечивает минимальные
производственные затраты.
Существующие показатели технологичности конструкций
изделий делятся на две группы: производственные и экс-
плуатационные.
Производственные показатели характеризуют затраты на
конструкторскую и технологическую подготовку производ-
ства, затраты на изготовление, включая контроль качества
и испытания. Производственные показатели технологично-
сти рекомендуется оценивать качественно (путем эксперт-
ной оценки при опросе конструкторов, технологов и эконо-
мистов) и количественно, чему должна предшествовать боль-
шая работа по сбору и анализу информации, относящейся
к производству лучших отечественных образцов деталей,
классификация и типизация их.
Из существа применяемых в технической литературе
представлений о технологичности следует разделение всех
конструкций на две категории: технологичные и нетехно-
логичные.
При таком делении исключается возможность примене-
ния сравнительных оценок: более технологичная, менее тех-
нологичная и т. п.
Нельзя также сопоставить различные способы формооб-
разования деталей между собой (например, литье и обра-
ботку давлением), так как при оценке на технологичность
для разных процессов используются разные критерии.
233
В данном разделе излагаются общие принципы методики
количественной оценки детали на технологичность. Автора-
ми вводится предельно простая модель для осесимметрич-
ных деталей со схемой, не требующей специального опреде-
ления. Семантическое значение модели все же мало, но она
вполне может служить основой для построения более слож-
ных моделей, например для деталей произвольной формы.
Основные понятия и определения
Геометрическая модель анализируемого сечения детали
может быть представлена в табличном виде
№ X Y R Rz,
где № — номер по порядку узловой точки контура попереч-
ного сечения; X, У — координаты узловой точки; R — ра-
диус сопряжения отрезков прямых, сходящихся в узловой
точке (частный случай — R = 0); Rz — параметр шерохова-
тости поверхности, ограниченной предыдущей и текущей
узловыми точками.
При наличии центрального отверстия контур анализиру-
емого сечения должен быть замкнут, т. е. началом и окон-
чанием контура должна быть первая узловая точка.
При отсутствии центрального сечения контур не замк-
нут, а первая и последняя точки контура имеют различные
координаты.
Входящий вектор (Ent_V) — вектор, определяемый коор-
динатами предыдущей (i - 1) и текущей (i) узловых точек.
Выходящий вектор (Esc_V) — вектор, определяемый
координатами текущей (i) и последующей (i + 1) узловых
точек.
Неделимый элемент детали (NED) — элемент контура
детали, образованный Ent_V и Esc_V (рис. 3.23) и прини-
мающий значения:
Nned, если Ах + Ву + С>0',
NED= VNED, если Ax + By + C<G',
NIL, если Ax + By + C = Q,
(3.5)
где Nxed — наружный неделимый элемент детали — эле-
мент контура детали, охватывающий тело детали; VNED —
внутренний неделимый элемент детали — элемент контура
234
Рис. 3.23. Понятия Ent_y и
Esc_V
v
лпип
Рис. 3.24. К определению понятия «то-
рец детали»
детали, охватываемый телом детали; А, В, С — параметры
Ent_V.
Для контура детали без центрального отверстия NED
в первой и последней узловых точках принимает значение NIL.
Используя введенные понятия, можно дать определения
элементов детали более высокого уровня.
Боковой торец — элемент детали, образованный одним или
двумя NNEE) (рис. 3.24), для которых справедливо условие:
= Xmax — для наружного торца;
X, = Xmin — для внутреннего торца, образованного цент-
ральным отверстием.
Фаска — элемент детали, образованный двумя для
которых общий вектор расположен под углом 45° (135, 225
или 315°) относительно положительного направления оси
X, а длина его не превышает 5 мм.
Выступ — элемент детали, началом и окончанием кото-
рого являются VNED (рис. 3.25), причем для всех промежу-
точных неделимых элементов справедливы условия (У* > Уп)
& (Yi > Yk) & (Хп < Xi< Xk), где n — индекс начальной уз-
ловой точки; k — индекс конечной узловой точки.
Впадина — элемент детали, на-
чалом и окончанием которого явля-
ются Nned, причем для всех про-
межуточных неделимых элементов
справедливы условия (Уг < Ул) &
(yi<yfc)&(Xn<Xz<XA).
Термический узел — элемент де-
тали, образованный одним или дву-
мя противоположно расположенны-
ми выступами.
Как видно из приведенных при-
меров, ИСПОЛЬЗУЯ ПОНЯТИЯ NtfED и
можно дать формализуемые
определения любому элементу дета-
ли, которые обозначают конструктив-
235
но-технологическую сложность детали и вызывают особо при-
стальное внимание технолога при оценке детали на техноло-
гичность.
Определение коэффициента технологичности детали
Коэффициент технологичности детали (КТД) — это вели-
чина, определяющая интегральную степень соответствия
детали в целом и каждого ее элемента технологическим
требованиям, предъявляемым конкретным способом фор-
мообразования .
КТД определяется следующим образом:
где N — количество неделимых элементов детали; G — ко-
личество технологических требований, предъявляемых к не-
делимому элементу детали; М — количество элементов дета-
ли более высокого уровня; L — количество технологических
требований, предъявляемых к элементам детали более высо-
кого уровня; Р — количество технологических требований,
предъявляемых к детали в целом; Цу — степень соответствия
неделимого элемента детали /-му технологическому требова-
нию; _ степень соответствия элемента детали более высо-
кого уровня i-му технологическому требо-
КТД = 0,27
Рис. 3.26. Эскизы
поперечного сече-
ния деталей и зна-
чения КТД
ванию; — степень соответствия детали
в целом й-му технологическому требованию.
Степень соответствия принимает значе-
ние 1 (TRUE), если данное требование удов-
летворяется, и О (FALSE), если не удовлет-
воряется. Для более взвешенного анализа
технологическим требованиям следует при-
своить значения весов, ранжирующих тех-
нологические требования по степени зна-
чимости. В этом случае величины G, L и Р
должны быть изменены на значения LVj,
XVy, LVk соответственно, где V — значения
весов (целые >1), соответствующих опре-
деленным технологическим требованиям.
На рис. 3.26 представлены эскизы попе-
речных сечений деталей и значения КТД,
рассчитанные для них.
236
Из представленных данных видно, что введение в конст-
рукцию детали элементов технологичных для процесса го-
рячей объемной штамповки повышает общий коэффициент
технологичности детали.
Пример расчета КТД
при повышении технологичности детали
Проведем анализ повышения технологичности горячей
объемной штамповки (ГОШ) на кривошипных горячештам-
повочных прессах (КГШП) детали, эскиз которой представ-
лен в табл. 3.23.
Технологические требования, предъявляемые горячей
объемной штамповкой к конструкции детали, следующие.
1. Требования к неделимому элементу детали.
1.1. Длина вектора >£min.
1.2. Радиус сопряжения векторов
1.3. Угол наклона вектора от вертикали:
для охватываемых поверхностей > amin.
для охватывающих поверхностей > Pmin.
1.4. Параметр шероховатости поверхности >Rzmin.
2. Требования к элементам детали более высокого уровня.
2.1. Высота выступа Hmin <Н < Нтах.
2.2. Ширина выступа у вершины > Bmin.
2.3. Глубина впадины Hmin < Н < Нтах.
2.4. Ширина впадины у основания >Bmin.
2.5. Боковые полости не допускаются.
2.6. Фаски не допускаются.
2.7. Диаметр центрального отверстия > Dmin.
3. Требования к детали в целом.
3.1. Масса детали Afmin < М < Afmax.
3.2. Диаметр детали Z)min < D < Z>max.
3.3. Высота детали Hmin < Н < Нтах.
Данные для расчета КТД сведены в табл. 3.23.
Воспользуемся данными табл. 3.23 и повысим техноло-
гичность детали за счет элементов, имеющих коэффициент
технологичности, равный О.
В табл. 3.24 приведены данные для расчета коэффициен-
та технологичности после первого этапа повышения техно-
логичности детали.
Следующим этапом повышения технологичности детали
является приведение неделимых элементов детали в соот-
ветствие с технологическими требованиями. Результат этой
237
Таблица 3.23
Сводные данные для расчета КТД
Но- Неделимый элемент детали
мер Тип EntV Esc V 1.2
поз. 1.1 1.3 1.4 1.1 1.3 1.4 Индекс j 2.1 2.2 2.5 2.6 2.7
1 nned 0 1 0 1 1 0 0 0,43 Выступ
2 VNED 1 1 0 1 0 0 0 0,43 2 *-11 1 1 1
3 nned 1 0 0 0 1 0 0 0,28 Фаска
4 nned 0 1 0 1 1 0 0 0,43 3-4 0 0
5 nned 1 1 0 0 1 0 0 0,43 5-6 0 0
6 nned 0 1 0 1 0 0 0 0,28 15-16 0 0
7 nned 1 0 0 0 1 0 0 0,28 17-18 0 0
8 VNED 0 1 0 0 0 0 0 0,14 27-1 0 0
9 VNED 0 0 0 0 1 0 0 0,14 Боковой паз
10 ^NED 0 1 0 1 0 0 0 0,28 7-10 0 0
11 VNED 1 0 0 1 1 0 0 0,43 19-22 0 0
12 nned 1 1 0 1 0 0 0 0,43 23-26 0 0
13 nned 1 0 0 1 1 1 0 0,57 Центральное отверстие
14 VNED 1 1 1 1 1 1 1 1,0 18-27 0 0
15 nned 1 1 1 0 1 0 0 0,57 КТД — (9,37/27)х(1,0/10)х
16 nned 0 1 0 1 1 0 0 0,43 Х1 ,0 = 0,034
17 nned 1 1 0 0 1 0 0 0,43 D-140
18 nned 0 1 0 1 0 0 0 0,28 D = 120 ч А/
4
19 nned 1 0 0 0 1 0 0 0,28 0 = 96
Ж 9
20 VNED 0 1 0 0 0 0 0 0,14 D-25 1 т ’ЛМ0? 1 Ws. 12
21 VNED 0 0 0 0 1 0 0 0,14 27 26
<6
22 nned 0 1 0 1 0 0 0 0,28 23 г 'Rz40 1
23 1 о о о 1 о о 0,28
l'NED 17
24 VNED 0 1 0 0 0 0 0 0,14
25 VNED 0 0 0 0 1 0 0 0,14
26 nned 0 1 0 0 0 0 0 0,14
27 nned 0 0 0 0 1 0 0 0,14
1 nned 0 1 0 1 1 0 0 0,43
Итого 9,37
238
Таблица 3.24
Сводные данные для расчета КТД
после первого этапа повышения технологичности
операции представлен на рис. 3.27. Коэффициент техноло-
гичности детали при этом равен 1, так как все технологи-
ческие требования удовлетворены.
Отметим, что конфигурация детали трансформировалась
в конфигурацию поковки. Если бы деталь соответствовала
конфигурации, представленной на рис. 3.27, то она могла
бы быть получена горячей объемной штамповкой без после-
дующей механической обработки.
Предложенная методика определения численного значе-
ния показателя технологичности детали дает возможность со-
поставить различные процессы фор-
мообразования и выбрать тот, для ко-
торого показатель технологичности
выше. Помимо этого, представляет-
ся возможным выделить нетехноло-
гичные элементы детали и опреде-
лить четкую стратегию повышения
их технологичности. Методика до-
статочно просто может быть реали-
зована в виде программного продук-
та и включена в систему автомати-
Рис. 3.27. Эскиз детали
после второго этапа повы-
шения технологичности
239
зированного проектирования технологических процессов, ана-
лиза эффективности производства и т. п.
Следует отметить еще одно обстоятельство. Величина,
обратная коэффициенту технологичности детали, т. е.
КТС=1/КТД, может служить в качестве оценки конст-
руктивно-технологической сложности детали для различ-
ных способов ее получения, предоставляя тем самым воз-
можность относительной оценки объема механической
обработки.
Глава 4
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА
ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ
Развитие науки, масштабы практического использования
ее результатов в настоящее время становятся важнейшими
факторами повышения эффективности промышленного про-
изводства. Поэтому основной прирост производительности
труда обеспечивается путем внедрения в промышленность
новых технических средств и прогрессивных технологиче-
ских процессов. Это приводит к тому, что все более часто
в процессе своей деятельности конструкторам и технологам
приходится принимать технические решения путем выбора
рационального варианта. Между тем в момент, когда такое
решение должно быть принято, они не всегда располагают
всей необходимой исходной информацией, т. е. задача при-
нятия решения погружена в неопределенность.
В ситуации неопределенности информация о задаче выбо-
ра рационального способа получения заготовки отсутствует
(начальная стадия изучения задачи). В процессе сбора ин-
формации на определенном этапе может оказаться, что со-
брана еще не вся возможная (неполнота) или не вся необ-
ходимая (недостаточность) информация. Для некоторых
элементов определены не их точные описания, а лишь мно-
жества, которым эти описания принадлежат (недоопределен-
ность). Ряд элементов задачи временно описан лишь по ана-
логии с уже решавшимися задачами, имеется лишь «заме-
щающее» описание (неадекватность).
Важно, что наличие данных видов неопределенности (не-
достоверности) связано либо с тем, что сбор информации
(изучение задачи принятия решений) временно приостанов-
лен, либо с нехваткой ресурсов, выделенных для сбора
информации. Однако возможность результативного продол-
жения изучения задачи существует. Дальнейшее изучение
может привести либо к ситуации определенности, в кото-
рой все элементы описаны однозначно (определены значе-
ния показателей для всех рассматриваемых вариантов), либо
к ситуации неоднозначности. Для последней предполагает-
ся, что вся возможная информация о задаче собрана, но
полностью определенное описание не получено и не может
быть получено.
241
И все же в этой ситуации должен быть выбран тот пред-
почтительный вариант конструкции изделия или техноло-
гического процесса, который затем будет разрабатываться
для внедрения в производство.
Решение задачи максимального приближения геометри-
ческих форм и размеров заготовки к размерам и форме го-
товой детали стало одной из главных тенденций техничес-
кого прогресса в заготовительном производстве. Решение
этой задачи часто ограничивают сферой технологии произ-
водства, не учитывая того, что заданные конструктором гео-
метрия, размеры и марка материала детали во многом пре-
допределяют и технологию ее изготовления.
Выбор вида заготовки для детали происходит, по суще-
ству, в процессе ее конструирования, так как при расче-
те деталей на прочность, износостойкость или при учете
других показателей эксплуатационных свойств проектиру-
емой детали конструктор исходит из физико-механических
свойств применяемого материала с учетом влияния на них
способа получения заготовки. Поэтому уже на стадии кон-
структорской проработки необходимо проводить сравнитель-
ный технико-экономический анализ различных вариантов
получения заготовки, пользуясь хотя бы укрупненными по-
казателями, в результате чего может быть выбран рацио-
нальный способ получения заготовки и в дальнейшем с уче-
том его технологических особенностей может быть спроек-
тирована деталь.
4.1. Факторы, влияющие на себестоимость
производства заготовок в машиностроении
Все факторы, влияющие на себестоимость производства
в машиностроении, можно разделить на три группы:
• первая группа — конструктивные факторы, т. е. конст-
руктивное решение самой детали, обеспечивающее приемле-
мость ее для изготовления обработкой давлением, литьем,
сваркой; выбор марки материала и технических условий;
• вторая группа — производственные факторы, т. е. тип и
культура производства, технологическая оснащенность, тех-
нологический и организационный уровни производства;
• третья группа — технологические факторы, характе-
ризующие способ формообразования заготовки, выбор са-
мой заготовки, оборудования и технологического процесса
получения детали.
242
В этой главе рассмотрена только третья группа факто-
ров. Однако следует подчеркнуть, что все три группы фак-
торов взаимосвязаны и оказывают существенное влияние
на себестоимость изделий, так как способ получения заго-
товки в значительной мере предопределяется конструкци-
ей детали, ее материалом, а также типом производства, его
технологическим и организационным уровнем. И то, на-
сколько полно в заготовке учтено влияние факторов первой
и второй групп, позволяет судить о «технологичности» за-
готовки. Под технологичностью заготовки принято пони-
мать, насколько данная заготовка соответствует требовани-
ям производства и обеспечивает долговечность и надежность
работы детали при эксплуатации. Выпуск технологичной
заготовки в заданных масштабах производства обеспечива-
ет минимальные производственные затраты, себестоимость,
труд о- и материалоемкость.
Можно найти много примеров в машиностроении, когда
ряд деталей (например, фланцы, тройники, шестерни, тра-
версы и т. д.) могут быть получены одним или нескольки-
ми способами литья или обработки давлением. Однако при
литье структура металла, а следовательно, и механические
свойства детали ниже, чем при обработке металлов давле-
нием. Кроме того, в отливках, особенно получаемых лить-
ем под давлением или в кокиль, большая вероятность воз-
никновения литейных напряжений и наличия пористости.
Наоборот, при штамповке, создавая направленную струк-
туру, можно в значительной степени увеличить эксплуата-
ционные свойства детали. В то же время заданный пара-
метр шероховатости поверхности и точность размеров мо-
гут быть обеспечены и в том и в другом случаях. Из сказан-
ного следует, что при выборе способов получения заготовки
для данных деталей в первую очередь необходимо учиты-
вать основные факторы (себестоимость и требования к ка-
честву), ориентироваться на то, что в данном конкретном
случае является определяющим.
В качестве другого примера можно рассмотреть крупно-
габаритные детали значительной массы, требующие для
своего изготовления уникального оборудования большой
мощности. Такие детали в допустимых случаях целесооб-
разно изготавливать сварными, например ковано-сварные
корпуса, роторы, обечайки, что позволяет значительно со-
кратить длительность цикла изготовления каждой поков-
ки, повысить качество металла за счет применения слитков
меньшей массы с меньшим количеством литейных дефек-
243
тов. Однако коэффициент использования металла при этом
не превышает 0,4 и, кроме того, значительно увеличивают-
ся суммарная трудоемкость и себестоимость деталей из-за
дополнительных расходов на сварку.
Как видно из приведенных примеров, рациональное ре-
шение при выборе заготовки может быть найдено только
при условии комплексного анализа влияния на себестои-
мость всех факторов, при обязательном условии положи-
тельного влияния способа получения заготовки на качество
изделия.
Представим себестоимость изготовления детали С фор-
мулой
С = М + 3 + О, (4.1)
где М — стоимость материалов на деталь; 3 — расходы на
заработную плату при изготовлении детали; О — расходы,
учитывающие стоимость оснастки, используемой при изго-
товлении детали.
Отметим, что такие процессы формообразования, как
литье, ковка, штамповка, весьма трудоемки и требуют зна-
чительных затрат на изготовление и эксплуатацию техно-
логической оснастки, однако даже в этом случае значитель-
ная доля затрат падает на материал (в некоторых случаях
затраты на материал составляют 60 % себестоимости дета-
ли). Поэтому пути снижения себестоимости деталей, а сле-
довательно, и изделий наиболее целесообразно искать в сни-
жении расхода материала, т. е. в выборе наиболее эконо-
мичной, рациональной заготовки.
Сказанное справедливо для массового и крупносерийно-
го производств. При ином типе производства определяю-
щими могут быть другие статьи себестоимости детали.
В настоящее время технологичность детали с определен-
ной степенью приближения может быть оценена следую-
щими показателями:
^в. г — коэффициентом выхода годного, определяемым
как отношение массы заготовки М3 к массе исходного ме-
талла Мм, т. е.
^в.г = Мз/Мм’ (4.2)
Кв т — коэффициентом весовой точности, определяемым
как отношение массы готовой детали Мд к массе заготовки
М3, т. е.
ЛГ,.Т = Л4Д/М,; (4.3)
244
ЛГИ м — коэффициентом использования металла, опреде-
ляемым как отношение массы готовой детали к массе ис-
ходного металла, т. е.
К„.к = Мд/Мм = КвгКВ'Т. (4.4)
Коэффициент выхода годного характеризует расход мате-
риала в заготовительном цехе, размеры брака, технологичес-
ких отходов и т. п. Коэффициент весовой точности отражает
степень приближения формы и размеров заготовки к форме
и размерам детали, т. е. характеризует объем механической
обработки. Коэффициент использования металла отражает
общий расход металла на изготовление данной детали.
Например: масса готовой детали (механически обрабо-
танной) 300 кг; масса поковки, из которой изготавливается
деталь, 500 кг; масса слитка, необходимого для получения
поковки, 750 кг. Тогда
К3 г =500/750 = 0,66;
Кв т =300/500 = 0,6;
2ГИ. м = 300/750 = 0,4 = 0,66 х 0,6.
Коэффициент весовой точности является наиболее часто
употребляемым для оценки рентабельности выбранной за-
готовки, так как зависит от конструкции детали, конструк-
ции и массы заготовки. Это легко можно заметить на сле-
дующем примере:
• при получении мелких деталей типа валиков, осей, шпи-
лек, болтов из горячекатаного проката Кв т = 0,4 0,6;
• при изготовлении из той же заготовки деталей типа ко-
лец и втулок Kg т = 0,15-ь 0,20.
В общем случае можно отметить, что чем меньше отно-
шение длины детали к ее диаметру, тем больше Къ т. По-
этому для изготовления мелких деталей желательно при-
менение точных способов получения заготовок: выдавлива-
ние, редуцирование, высадка, раскатка и т. д.
В среднем для машиностроительных предприятий Кв т
не превышает 0,62 для процессов ковки и штамповки и
0,68 для процессов литья.
Еще раз необходимо отметить, что в самом понятии «вы-
бор технологичной заготовки» заложено обязательное усло-
вие оценки ее уровня в сопоставляемых вариантах получе-
ния данной заготовки. Отсюда следует, что количествен-
ный уровень технологичности способа получения заготовки
должен определяться по удельным или нормативным пока-
245
зателям себестоимости или непосредственным определени-
ем себестоимости по сравниваемым вариантам. Следователь-
но, в основе выбора рационального способа получения заго-
товки должен лежать технико-экономический анализ воз-
можных вариантов технологических процессов изготовле-
ния детали.
Прежде чем рассмотреть суть технико-экономического
анализа при выборе способа получения заготовки, остано-
вимся на общих принципах выбора заготовки.
4.2. Основные положения
к выбору рациональной заготовки
Для получения заготовок в машиностроении наиболее
широко применяют следующие методы: литье, обработка
металлов давлением, сварка и процессы порошковой метал-
лургии, а также комбинации этих методов. Однако каж-
дый из методов содержит большое число способов получе-
ния заготовок.
Так, отливки можно получать литьем в песчано-глинис-
тых формах, в кокиль, по выплавляемым моделям, под дав-
лением, намораживанием и т. д.; поковки и штамповки —
ковкой на молотах, гидравлических прессах, штамповкой
на штамповочных молотах, кривошипных горячештампо-
вочных прессах, гидровинтовых пресс-молотах, горизонталь-
но-ковочных машинах, радиально-ковочных машинах и т. д.
Многообразие способов получения заготовок и их сочета-
ний приводит к тому, что выбор способа получения заготов-
ки становится сложной технико-экономической задачей.
Прежде всего следует определить, каким методом наибо-
лее целесообразно получить заготовку для данной детали.
Условимся под термином «метод» понимать группу тех-
нологических процессов, в основе которых лежит единый
принцип формообразования. Например, метод обработки
металлов давлением включает в себя все технологические
процессы (способы), которые основаны на пластическом
формоизменении металла, — прокатку, ковку, волочение,
штамповку, листовую штамповку и т. п.
Обычно при выборе метода необходимо ориентироваться
в первую очередь на материал и требования к нему с точки
зрения обеспечения служебных свойств изделия. Например,
если на чертеже детали указан материал чугун или марка
стали с индексом «Л», то эту деталь следует изготавливать
246
из заготовки, полученной методом литья, так как чугуны
в большинстве своем не могут быть подвержены обработке
давлением из-за низких пластических свойств. Индекс «Л»
указывает на то, что сталь обладает повышенными литей-
ными свойствами (в частности, повышенной жидкотекуче-
стью) и пониженными пластическими свойствами. Особо
ответственные детали, к которым предъявляются высокие
требования по размеру зерна, направлению волокон, а так-
же по уровню механических свойств, всегда следует изго-
тавливать из заготовки, полученной обработкой давлением.
Выбор способа получения заготовки — всегда очень слож-
ная, подчас трудноразрешимая задача, так как часто раз-
личные способы могут надежно обеспечить технические и
экономические требования, предъявляемые к детали. Таким
образом, выбранный способ получения заготовки должен быть
экономичным, обеспечивающим высокое качество детали,
производительным, нетрудоемким. Оценку целесообразнос-
ти и технико-экономической эффективности применения того
или иного способа необходимо производить с учетом всех его
недостатков и преимуществ.
Можно рекомендовать основные факторы, влияющие на
выбор способа получения заготовки.
Тип производства. Для мелкосерийного и единичного про-
изводств характерно использование в качестве заготовок го-
рячекатаного проката, отливок, полученных литьем в песча-
но-глинистые формы, и поковок, полученных ковкой. Это
обусловливает большие припуски и напуски, значительный
объем последующей механической обработки, повышение
трудоемкости, в том числе и за счет низкой технологической
оснащенности. В структуре себестоимости в данном случае
велика доля затрат на основные материалы (до 50 %) и зара-
ботную плату (до 35 %).
В условиях крупносерийного и массового производств рен-
табельны такие способы изготовления заготовок, как горя-
чая объемная штамповка, литье в кокиль и под давлением,
в оболочковые формы и по выплавляемым моделям. При-
менение этих способов позволяет значительно сократить при-
пуски на механическую обработку (в среднем на 25-30 %
к массе заготовки), снизить трудоемкость изготовления
деталей.
Повышение точности формообразующих процессов, при-
менение наиболее точных и прогрессивных способов полу-
чения заготовок на базе увеличения серийности являются
одним из важнейших резервов повышения технического
247
уровня производства. Пути повышения эффективности еди-
ничного и мелкосерийного производств будут рассмотрены
подробнее далее.
Технологическую оснащенность производства характери-
зует наличие технологической оснастки. В заготовительном
производстве это подкладные штампы и штампы для горя-
чей объемной штамповки, литейная технологическая осна-
стка, металлические формы, модели и т. п. Оптимальный
уровень технологической оснащенности определяется таким
объективным критерием, как себестоимость производства.
Лимитируя удельные и общие затраты на оснастку и инст-
румент, себестоимость связывает между собой первоначаль-
ную стоимость технологической оснастки, ее стойкость и
экономический эффект, получаемый в результате роста тех-
нологической оснащенности. Причем в данном случае ос-
новным является тип производства. При единичном и мел-
косерийном производствах специальная оснастка, рассчи-
танная на получение одной детали, в большинстве случаев
не может быть использована до полного ее износа, поэтому
дополнительные затраты на оснастку оказываются больше
экономии, достигаемой от сокращения объема механичес-
кой обработки.
Материалы и требования, предъявляемые к качеству де-
тали. Основная тенденция современного машиностроения —
применение материалов, обеспечивающих необходимые кон-
структивные и эксплуатационные свойства, имеющих повы-
шенную обрабатываемость на всех стадиях передела. Иными
словами, материалы должны обладать необходимым запа-
сом определенных технологических свойств — ковкостью,
штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обраба-
тываемостью.
Необходимым технологическим свойством для деформи-
руемых материалов является технологическая пластичность.
Чем ниже пластичность материала, тем сложнее получить
качественную заготовку методом обработки металлов дав-
лением, тем сложнее технологический процесс, тем выше
себестоимость детали. Так, при изготовлении поковок на
труднодеформируемых высокопрочных сплавов осуществить
требуемую степень деформации за один нагрев не всегда
удается, поэтому необходимо введение дополнительных про-
межуточных нагревов, что значительно повышает себестои-
мость и трудоемкость изготовления поковок. Особенно жест-
кие требования по технологической пластичности предъяв-
ляют к тем сплавам, изделия из которых подвергают хо-
248
лодной обработке металлов давлением — выдавливанию,
вытяжке, гибке, формовке.
При выборе способа получения отливок также необходи-
мо учитывать технологические свойства сплавов. Например,
если материал обладает пониженными литейными свойства-
ми (низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке
и т. п.), не рекомендуется применять для получения отли-
вок из этого материала такие способы, как литье в кокиль
или литье под давлением, поскольку из-за низкой податли-
вости металлических форм могут возникнуть литейные на-
пряжения, коробление отливки и трещины. В таких случа-
ях целесообразно применение оболочкового литья и литья
в песчано-глинистые формы.
Сплавы, склонные к повышенному поглощению газов
(многие литейные рплавы на основе алюминия), нежела-
тельно применять для получения заготовок литьем под дав-
лением; для центробежного литья исключено применение
сплавов, склонных к ликвации.
В технических условиях для ответственных, тяжелона-
груженных деталей, для деталей, работающих в условиях
переменных нагрузок, в специальных средах (детали тур-
бостроения, энергомашиностроения, такие как валы, шес-
терни, зубчатые колеса, роторы, турбинные и компрес-
сорные диски), указывают определенные требования к ка-
честву материала, физико-механическим свойствам. Для
подобных деталей в качестве заготовок целесообразно ис-
пользовать поковки, т. е. заготовки, полученные ковкой или
штамповкой, поскольку в процессе деформирования созда-
ется мелкозернистая, направленная волокнистая структу-
ра, значительно повышающая физико-механические свой-
ства материала.
Размеры, масса и конфигурация детали. На удельную
трудоемкость механической обработки и тем самым на себе-
стоимость деталей существенное влияние оказывает масса
детали. Удельная стоимость отливок и поковок растет с умень-
шением их массы, особенно резко при массе до 20 кг. Ука-
занная закономерность является общей для всех способов
получения заготовок и деталей, в том числе и для механи-
ческой обработки, так как трудоемкость формообразования
определяют общей площадью поверхностей, подлежащих
обработке.
Необходимо отметить, что обработку резанием не следу-
ет применять самостоятельно для изготовления тех дета-
лей, которые могут быть получены в заготовительном про-
249
изводстве экономически более выгодными способами. Ме-
ханическая обработка экономически оправдана при выпол-
нении небольшого объема работ и отделочных операций
(уменьшение радиусов сопряжении, образование поднутре-
ний, узких каналов, пазов), а также для повышения каче-
ства поверхности и точности размеров деталей.
Новые технологические процессы, такие как обкатка и
раскатка роликами, дорнование отверстий, накатка зубьев
и резьб, не предшествуют механической обработке, а завер-
шают изготовление деталей. Широкое распространение этих
способов при изготовлении деталей подтверждает общую
тенденцию современного машиностроения — уменьшение
объема обработки резанием и применение таких прогрес-
сивных способов, как точное литье и обработка давлением.
Размеры детали в ряде случаев при выборе способа полу-
чения заготовки играют решающую роль. Так, для многих
способов литья (литье по выплавляемым моделям, литье
в кокиль, литье под давлением и т. д.) размеры отливки
ограничены техническими возможностями применяемых
оборудования и инструмента. Точно так же на имеющемся
универсальном оборудовании для горячей объемной штам-
повки не представляется возможным получение поковок мас-
сой более 1000 кг.
Качество поверхности заготовок, обеспечение заданной
точности. Использование точных, прецизионных способов
обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую
точность заготовок. Так, совершенствование процессов ков-
ки и штамповки позволяет получать заготовки, параметры
шероховатости поверхности и точность размеров которых
соответствуют достигаемым при механической обработке,
а в отдельных случаях и при финишных операциях (напри-
мер, при полировании). Специальные виды штамповки (ка-
либровка, холодное выдавливание) обеспечивают получение
готовых деталей (заклепки, гайки, болты и пр.) и деталей
машин, пригодных для сборки без дополнительной обработ-
ки резанием. Большинство специальных видов литья (литье
в кокиль, в оболочковые формы, под давлением, по выплав-
ляемым моделям, жидкая штамповка и др.) позволяют по-
лучить отливки с точностью, соответствующей 12-15-му ква-
литетам, и параметром шероховатости Rz - 6,3 + 3,2 мкм.
Возможности имеющегося оборудования. Это обстоятель-
ство следует учитывать при изготовлении заготовок мето-
дами центробежного литья, литья под давлением, горячей
объемной штамповкой и др. Особенно необходимо учиты-
250
вать возможности оборудования при выборе способа полу-
чения заготовки среди способов обработки металлов давле-
нием, так как в некоторых случаях возможности оборудо-
вания являются основным, определяющим показателем.
Например, наличие в кузнечном цехе ротационно-ковоч-
ных машин позволяет получать ступенчатые заготовки прак-
тически без механической обработки; того же эффекта можно
добиться при наличии механических прессов двойного дей-
ствия или гидравлических многоступенчатых прессов, пред-
назначенных для штамповки деталей в разъемных матри-
цах. При наличии чеканочных прессов после горячей объем-
ной штамповки можно использовать чеканку (калибровку)
как отделочную операцию, что позволит значительно умень-
шить припуск на механическую обработку.
Мощность имеющегося кузнечно-штамповочного обору-
дования подчас определяет и номенклатуру деталей, полу-
чение которых возможно на этом оборудовании.
При сопоставлении вариантов изготовления детали мож-
но рекомендовать методику, использованную в приведен-
ном ниже примере.
Следует выбрать заготовку и способ ее получения для де-
тали типа фланец с отверстием, изготавливаемой из стали
марки 40ХЛ. Масса готовой детали 25 кг, большинство по-
верхностей имеют параметр шероховатости Rz = 10 * 2,5 мкм,
точность, соответствующую 13-му, 14-му квалитетам. Годо-
вой выпуск 50 000 шт. В данном случае это литье, так как
задана литейная марка стали.
Далее определяют способ литья. Так как годовой выпуск
50 000 шт., а масса готовой детали 25 кг, то тип производства
массовый или крупносерийный. В этом случае целесообразно
применить специальные способы литья, обеспечивающие за-
данные точность, параметр шероховатости поверхности и мак-
симально возможное приближение формы и размеров заготов-
ки к форме и размерам готовой детали. К таким способам
относятся: литье в кокиль, в оболочковые формы, по выплав-
ляемым моделям и под давлением. Сопоставив эти способы,
убеждаемся, что литье под давлением необходимо сразу ис-
ключить, так как этот способ не нашел еще широкого приме-
нения при литье стальных заготовок из-за низкой стойкости
литейной оснастки. По той же причине нежелательно приме-
нение и способа литья в кокиль (стойкость кокиля при полу-
чении стальных отливок не превышает 500 шт.).
Таким образом, для сравнения остаются два способа: литье
в оболочковые формы и литье по выплавляемым моделям.
251
Оба эти способа в достаточной степени могут обеспечить
заданные параметр шероховатости и точность отливок. Од-
нако необходимо учесть, что литье по выплавляемым моде-
лям — наиболее трудоемкий и дорогостоящий способ ли-
тья; применение его рационально, если отливку невозмож-
но получить никаким другим способом. Поэтому в рассмат-
риваемом случае можно считать наиболее целесообразным
литье в оболочковые формы.
Предложенная выше методика выбора способа изготов-
ления заготовки весьма ориентировочна, так как мы пользо-
вались только качественной оценкой сравниваемых спосо-
бов («хуже» — «лучше», «можно» — «нельзя» и т.п.), не
используя точные количественные критерии. Поэтому бо-
лее обоснованным и грамотным является проведение тех-
нико-экономического анализа сравниваемых вариантов, ос-
нованного на использовании количественных критериев.
4.3. Основные положения к выбору способа литья
Стоимость литых деталей определяют не только техноло-
гическим процессом их изготовления, но и стоимостью ме-
талла. Особенно это заметно при использовании дорогосто-
ящих литейных сплавов — легированных сталей, оловян-
ных бронз, титановых сплавов и др. Поэтому при выборе
способа литья для получения заготовки в первую очередь
должен быть рассмотрен вопрос экономии металла.
Металлоемкость литых деталей можно снизить конструк-
тивными и технологическими мероприятиями, направлен-
ными на получение облегченных, но более прочных деталей.
Очень часто конструкторы закладывают неоправданно боль-
шой запас прочности при конструировании деталей, работа-
ющих при незначительных эксплуатационных нагрузках.
Рассматривая чертеж детали, которую предполагается
получать литьем, необходимо оценить правильность распре-
деления металла, обеспечивающее наилучшее соотношение
между массой и прочностью. За счет изменения конструк-
ции, образования выемок, изменения толщины стенок, при-
менения коробчатых, тавровых или иных сечений можно
достигнуть значительной экономии металла. Следует пре-
дусматривать увеличение радиусов сопряжения и толщины
стенок в опасных местах (ребра, бобышки и т. п.). Этим
можно существенным образом снизить концентрацию на-
пряжений, увеличить прочность детали.
252
Необходимо более внимательно анализировать требова-
ния, предъявляемые к детали в процессе эксплуатации,
чтобы полностью или частично заменить дорогостоящие
материалы. Так, стальные детали можно заменить отлив-
ками из высокопрочного, модифицированного или армиро-
ванного чугуна. Стоимость отливок снижается также и за
счет более высокой технологичности чугунов как литейных
сплавов. Применение низколегированных сталей вместо
нелегированных позволяет снизить массу стальных отли-
вок на 10-15 % за счет более высоких прочностных свойств
низколегированных сталей.
Прочность модифицированных и высокопрочных чугунов
в два-три раза выше, чем серых, поэтому применение их вза-
мен серых чугунов позволяет значительно снизить толщину
стенок отливок, а следовательно, и массу отливок.
Таким образом, первым этапом при выборе способа полу-
чения заготовки является оценка ее технологичности. При
переходе непосредственно к выбору способа получения от-
ливки необходимо оценить все положительные и отрицатель-
ные стороны возможных технологических процессов получе-
ния литой заготовки, т. е. провести сравнительный анализ.
Основные факторы, которые необходимо учитывать при
сравнении различных способов литья, следующие.
1. Для получения качественных отливок в первую оче-
редь необходимо учитывать технологические свойства спла-
ва (жидкотекучесть, склонность к усадочной и газовой пори-
стости, к ликвации и т. п.). Если сплав обладает понижен-
ной жидкотекучестью, то нежелательно применение литья
в металлические формы. Жидкотекучесть повышается при
литье под давлением, центробежном, по выплавляемым мо-
делям, штамповке жидкого металла. Если сплав имеет высо-
кую склонность к усадке, нежелательно применение литья
в металлические формы и под давлением, так как в первом
случае возможно образование трещин из-за низкой податли-
вости формы, во втором — повышение трудоемкости изго-
товления отливки из-за сложности установки прибылей, ус-
ложнения пресс-формы.
2. Следует учитывать возможности способов в получении
отливок без дефектов литейного происхождения, а также воз-
можности способов литья в обеспечении равномерной, мел-
козернистой структуры, более высоких механических свойств.
3. При выборе способа литья необходимо учитывать тех-
нологичность конструкции детали применительно к каждо-
му из рассматриваемых способов.
253
Тонкостенные отливки наиболее сложных конструктив-
ных форм можно получить литьем по выплавляемым моде-
лям и под давлением. Литьем в песчано-глинистые формы
также можно получать весьма сложные отливки. При ли-
тье в кокиль форма отливки должна быть по возможности
более простой, при центробежном литье основной тип дета-
лей — тела вращения.
Необходимо также учитывать толщину стенок — наиболее
тонкие стенки обеспечивает литье по выплавляемым моделям,
при литье в кокиль стенки отливок более толстые, чем при
литье в песчано-глинистые формы, и т. д. Специальные спосо-
бы литья целесообразно применять для получения мелких и
средних по массе отливок; при литье в песчано-глинистые фор-
мы габаритные размеры и масса отливок не ограничены.
По возможности всегда следует выбирать такой способ
литья, который обеспечил бы в отливке заданные точность и
параметр шероховатости поверхности. Высокая чистота по-
верхности отливок дает возможность сохранить при механи-
ческой обработке литейную корку, имеющую повышенные
твердость и износостойкость, резко снизить себестоимость
готовых деталей за счет экономии металла и снижения тру-
доемкости при механической обработке.
В табл. 4.1 приведены значе-
Рис. 4.1. Допуски на размеры
отливок при различных способах
литья алюминиевых сплавов:
1 — в песчано-глинистые формы; 2 —
в кокиль; 3 — под давлением
ния точности и шероховатос-
ти поверхности отливок, дости-
гаемые при современных спосо-
бах производства. Оценка точ-
ности дана по стандартам на ме-
ханически обработанные дета-
ли. Для сравнения на рис. 4.1
приведены поля допусков на
размеры отливок при различ-
ных способах литья алюминие-
вых сплавов.
4. Специальные способы ли-
тья целесообразно применять
при крупносерийном и массо-
вом производствах заготовок,
так как эти процессы экономи-
чески оправдывают себя толь-
ко в том случае, если стоимость
оснастки полностью окупается
снижением расходов на механи-
ческую обработку.
254
Таблица 4.1
Точность и шероховатость отливок для различных способов литья
Квалитеты Параметры шероховатости Rz, мкм
8 11 12 14 15 16 17 320- 160 160-80 80-40 40-20 20-10 10- 6,3 6,3- 3,2 3,2- 1,6
Литье под давлением
+ + + + + * +
Литье по выплавляемым моделям
+ + + + + +
Литье в оболочковые формы
+ + + + + +
Литье в кокиль
Черное + + + + + + +
Цветное -1- + + + + +
Литье в песчано-глинистой форме
Массовое + + + + + + +
Серийное + + + + + +
Единичное + + + + + +
Возможности имеющегося оборудования, а также уро-
вень литейной технологии и технологии механической об-
работки.
Как говорилось выше, наиболее точным показателем,
определяющим эффективность применения того или иного
способа литья, является себестоимость. Для подсчета себе-
стоимости нужно иметь технически обоснованные норма-
тивные данные по расходу материалов, трудовым затратам
и расценкам на выполнение различных процессов и опера-
ций в заготовительных и механических цехах. Как прави-
ло, такие нормативы имеются на предприятиях.
Для сравнения экономичности применения различных
способов литья также следует учитывать трудоемкость, ко-
торая зависит от массы и сложности отливок, технических
требований, предъявляемых к отливкам, типа производства
и его организации, а также от степени механизации и авто-
матизации технологического процесса. С увеличением объ-
ема производства трудоемкость и себестоимость литья умень-
шаются. В табл. 4.2 приведены значения расхода материа-
ла для некоторых способов литья.
255
Таблица 4.2
Технико-экономические показатели способов литья
Литье Область применения Масса, кг Размеры, мм Толщи- на сте- нок, мм *з.т *».Г
В песчано- глинистые формы Отливки из лю- бых литейных сплавов 10- 10 000 Любые 3,0 0,3-0,5 0,71
Под давле- нием Отливки из сплавов: алюминие- вых цинковых 0,001- 1,3 90 1200 0,6-6,0 0,6 0,95
В металли- ческие фор- мы Отливки из чу- гуна, стали, цветных спла- вов 0,1- 5000 Любые 3,0 0,4-0,5 0,74
По выплав- ляемым мо- делям Мелкие, слож- ные отливки из стали и спе- циальных сплавов ОД- 135 0,5-1250 0,7 0,6 0,91
В оболочко- вые формы Тонкостенные отливки из лю- бых сплавов 0,1-80 450x450x150 2,0-4,0 0,5-0,6 0,9
На трудоемкость и себестоимость отливок большое влия-
ние оказывают сложность отливок и требования, предъяв-
ляемые к отливкам.
При сравнении можно рекомендовать сопоставление меж-
ду собой следующих способов литья.
Литье в оболочковые формы и литье в песчано-глинис-
тые формы. Следует учитывать, что себестоимость готовых
(механически обработанных) деталей из отливок, выполнен-
ных в оболочковые формы, на 20-30 % ниже, чем при ли-
тье в песчано-глинистые формы, а трудоемкость производ-
ства 1 т оболочкового литья примерно на 30-50 % меньше
трудоемкости литья в песчано-глинистые формы.
Целесообразно переводить на литье в оболочковые фор-
мы детали, которые при литье в песчано-глинистые формы
трудоемки при механической обработке и очистке (напри-
мер, зубчатые колеса, звездочки), а также детали, изготов-
ляемые из поковок (например, коленчатые валы, кулачко-
вые валики). Как правило, перевод на литье в оболочковые
формы деталей, изготовляемых из поковок, если такой пе-
256
Таблица 4.3
Показатели эффективности применения литья по выплавляемым моделям
Отрасль промышленности Снижение расхода металла, % Снижение трудоемкости, %
механической обработки общей изготовления деталей
Судостроение 34-87 29-83 38-60
Турбостроение 73-93 60-70 35-40 65-80
Станкостроение 30-70 26-85 34-80 33-55
Приборостроение 60-75 57,0 46,0 35,0
ревод допустим по конструктивным соображениям, оказы-
вается экономически целесообразным.
В качестве примера такого решения можно привести опыт
изготовления коленчатого вала автомобиля «Волга» из мо-
дифицированного чугуна [21], при этом эффективность та-
кой замены можно оценить по изменению себестоимости де-
тали. Так, отношение себестоимости отливки к себестоимос-
ти поковки одного коленчатого вала составляет 0,66.
Основным препятствием перевода деталей на литье в обо-
лочковые формы является высокая стоимость связующих смол.
Поэтому окончательное решение о целесообразности примене-
ния этого способа должно быть принято после экономическо-
го расчета с учетом типа детали и условий производства.
Литье по выплавляемым моделям и заготовки, получен-
ные из проката или штамповок. В табл. 4.3 приведены
в качестве примера значения показателей, характеризую-
щих эффективность применения литья по выплавляемым
моделям.
Литье в кокиль и литье в песчано-глинистые формы.
Литье в кокиль имеет более высокие технико-экономичес-
кие показатели при одинаковом уровне механизации. Уве-
личение выхода годного литья на 2-8 % и выпуска литья
на одного рабочего в два-три раза; снижение стоимости од-
ной тонны литья на 5-15%. Основной экономии при ко-
кильном литье достигают за счет уменьшения расходов на
формовочные материалы и изготовление форм.
Литье под давлением и литье в кокиль или листовая
штамповка, реже литье в песчано-глинистые формы. Ли-
тье под давлением является наиболее экономичным спосо-
бом получения заготовок из алюминиевых и магниевых спла-
вов. При выборе способа литья из этих сплавов можно
пользоваться диаграммой, приведенной на рис. 4.2 [25].
257
to
сл
00
65000
40000
» 35000
* 25000
| 15000
| 10000
§ 7000
f 5000
3500
2500
1500
1000
600
300
100
О
©
uj
Литье под
давлением
6,0
2,0
4,0
7,0
5,0
з,о
4,0
0,7
0,3
0,5
V
4,5
6,0
5,0
6,0
1,0
2,0
1,4 1.4 1,5 1,7 2,2
0.6 0.7 Од 1,21,8
лгал,
3,0
2,0
3,0
3,5
3,0
4,0
4,0
3А
3,5
4,0
Литье в кокиль
!вяннойл<одели__
|о,ф,2[о,з|о,4
№
Ручная формовка
VI V IV III II
Группа сложности
В
землю
В
кокиль
Под
давле-
нием
I
1
§
1.3
1,8
3,0
7,0
Способ
литья
Алюминиевые
Магниевые
сплавы
Rz,
мкм
Габаритные
размеры, мм-
Рис. 4.2. Диаграмма для выбора способа получения
заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов
Таблица 4.4
Показатели эффективности изготовления колец синхронизатора
(масса детали 1,2 кг)
Способ получения заготовки Расход металла на одну заготовку, кг *в.т Масса заготовки, кг
Литье под давлением 1,56 0,84 0,77 1,42
Штамповка 4,86 0,37 0,26 3,25
Себестоимость литья под давлением при массовом произ-
водстве деталей из алюминиевых сплавов складывается из
затрат, %:
Стоимость основных материалов........... 75-85
Зарплата производственных рабочих...... 3-4
Цеховые расходы.......................... 5-6
Стоимость оснастки....................... 2-5
Восстановление инструмента............... 1-2
Технологическое топливо................0,3-0,4
Отчисления на социальные нужды.........0,7-0,8
Текущий ремонт основных фондов.........1,5-2,0
Амортизационные отчисления............... 3-4
Рентабельность применения литья под давлением в зна-
чительной степени зависит от организации труда и масшта-
ба производства: чем крупнее производство, тем ниже себе-
стоимость отливок. В табл. 4.4 приведены экономические
показатели изготовления колец синхронизатора литьем под
давлением и штамповкой. Из таблицы видно, что перевод
на литье под давлением значительно повышает выход год-
ного, снижает трудоемкость механической обработки и дает
значительную экономию металла.
В табл. 4.5 приведены данные об изменении расхода ме-
талла и трудоемкости при переводе деталей втулок из цин-
кового сплава с литья в кокиль на литье под давлением.
Таблица 4.5
Сопоставление способов литья в кокиль и под давлением
(в относительных единицах)
Литье Расход металла на одну заготовку Масса заготовки Затраты на изготовление детали
Норма времени Расценка
В кокиль 1,0 1,0 1,0 1,0
Под давлением 0,858 0,907 0,797 0,859
259
В заключение следует отметить, что литье под давлением
является одним из наиболее прогрессивных способов полу-
чения заготовок, так как полное отсутствие механической
обработки обеспечивает значительную экономию металла.
При выборе способа литья необходимо также учитывать
и качество металла в отливках (наличие дефектов литейно-
го происхождения, плотность, механические свойства и
т. д.). Наиболее качественный металл получается при штам-
повке жидкого металла (особенно при кристаллизации под
поршневым давлением), затем при центробежном литье и
при литье в кокиль.
4.4. Основные положения
к выбору способа обработки давлением
Методику проведения технико-экономического обоснова-
ния выбора способа получения заготовки рассмотрим на
примере получения поковок.
При выборе способа получения заготовок среди способов
обработки металлов давлением необходимо учитывать спе-
цифические особенности, обусловливающие выбор оптималь-
ного технологического варианта:
1) высокую металлоемкость — затраты на металл дости-
гают 60-80 % от себестоимости поковки;
2) значительные энергоемкость и стоимость основного
технологического оборудования;
3) высокую стоимость штамповой оснастки — затраты
на оснастку составляют 10-15 % от себестоимости поковок.
Критерием оптимальности технологического процесса
получения поковок является его целесообразность при за-
данных объемах и условиях производства. При оценке того
или иного варианта получения поковок следует ориентиро-
ваться на один или группу критериев:
1) себестоимость производства поковок или готовых из-
делий;
2) расход материала поковки и штампа;
3) трудоемкость в заготовительном и механическом про-
изводствах;
4) качество продукции, причем первые три должны, есте-
ственно, принимать минимальные значения, а последний —
максимальное.
При анализе технико-экономических показателей основ-
ными из них являются стоимостные (в частности, себестои-
260
мость производства) и натуральные (трудоемкость, коэффи-
циенты использования металла и весовой точности и др.).
Для упрощения расчетов при выборе наиболее рациональ-
ного способа получения заготовок можно пользоваться под-
счетом себестоимости по сравниваемым вариантам. Следу-
ет производить экономические расчеты всего процесса из-
готовления детали, включая и механическую обработку.
Расчетом себестоимости поковок можно ограничиться толь-
ко в том случае, если сопоставляемые процессы обеспечи-
вают одинаковые массу, форму и размеры поковок, т. е. оди-
наковый объем механической обработки.
Для выбора заготовки достаточно подсчитать себестои-
мость детали по укрупненным показателям:
Сд - См + 3п1 + Зш+ Зп2 + Зм + Зэк <*шт1 + *шт2>’ <4’5)
где См — затраты на металл, руб.; 3nj — основная и допол-
нительная заработная плата производственных рабочих
в кузнечно-штамповочном цехе, руб.; 3П2 — то же в меха-
ническом цехе, руб.; Зш — затраты на штампы в кузнечно-
штамповочном цехе, руб.; Зм — затраты на инструмент
в механическом цехе, руб.; Зэк — нормативные затраты,
связанные с эксплуатацией оборудования, коп./мин; ^шт1,
/ШТ2 — соответственно штучное время ковки (штамповки)
и механической обработки, мин.
Затраты на металл можно подсчитать по формуле
См = Си~Со = С„Ц№-СоЦо, (4.6)
где Сп — стоимость металла, потребного на одну поковку,
руб.; Со — стоимость отходов, руб.; Gn — расчетное количе-
ство металла на поковку, кг; Цм — цена исходного материа-
ла, руб./кг; Go — масса отходов, кг; Цо — цена отходов ме-
талла, руб./кг.
В общем случае сравнительную себестоимость деталей
можно определить исходя из конфигурации, массы, марки
материала и размера партии поковок по формуле
cn = Kc(\szGa, (4.7)
где Cj — себестоимость 1 кг деталей, изготовленных из
штампованных поковок при партии N = 100 шт. для поко-
вок 1-й группы сложности из конструкционной стали, руб.;
S — коэффициент сложности конфигурации поковки; Z —
поправочный коэффициент для деталей из кованых поко-
261
Таблица 4.6 Коэффициенты Кс и KN вок; Кс — коэффициент изменения себестоимос- ти; Gr — масса детали. Для деталей из штам-
Масса поковки, кг кс Объем вы- пуска N, шт. KN
0,25-0,4 1,000 10 6,39 повинных поковок
0,4-0,6 0,830 20 3,39 Сш = ^сС15ЗД, (4.8)
0,6-1,0 0,679 40 1,89 где KN — коэффициент, учитывающий объем вы- пуска.
1,0-1,6 0,547 60 1,39
1,6-2,5 0,453 80 1,14
2,5-4,0 0,377 100 1,00 Значения Кс и KN находят по табл. 4.6, а значения S и Z — по табл. 4.7.
4,0-6,0 0,321 140 0,82
6,0-10 0,264 200 0,69
10-16 0,208 400 0,54 При определении се-
16-25 0,175 1 000 0,45 бестоимости детали по формуле (4.8) коэффи- циент KN не учитывает- ся, так как при ковке
25-40 0,145 1 600 0,43
40-60 0,121 2 500 0,41
60-100 0,100 4 000 0,40 размер партии поковок
100-160 0,081 6 300 0,40 существенного влияния на себестоимость не ока- зывает. Сопоставление вели-
160-250 0,066 10 000 0,39
чин Сп и Сш дает возможность выбрать наиболее экономи-
чески целесообразный вариант изготовления поковок для
данных условий производства.
Полный расчет технико-экономической эффективности
технологических процессов представляет часто значитель-
ные трудности из-за отсутствия необходимых исходных дан-
Таблица 4.7
Коэффициенты S и Z
Группа сложности Группа поковок S Z
I Типа тел вращения и близкие к ним 1,00 0,57
II Плоские с небольшими выступами (уши, накладки и т. д.) 1,08 0,64
ш С односторонними ребрами 1,15 0,71
IV Арматурные (тройники, угольники, корпу- са, краны) 1,33 0,81
V Весьма сложной конфигурации 3,3 1,06
262
ных. Поэтому для ориентировочного сравнения достаточно
ограничиться данными по расходу металла и трудоемкости
процесса, при этом прочие расходы следует считать при-
близительно одинаковыми. Расчет производят по формуле
С = СМ+^С3К3, (4.9)
где С — себестоимость одной детали при внедрении срав-
ниваемых технологических процессов; См — стоимость ме-
талла на одну деталь; С3 — заработная плата на каждую
операцию технологического процесса; К3 — коэффициент,
учитывающий дополнительную заработную плату и начис-
ления на нее, ^Г3=1 + пд + (1 + пд}пн (пд — процент допол-
нительной заработной платы; пн — процент начислений на
заработную плату).
Для оценки того или иного варианта ковки-штамповки
в связи с программой производства бывает необходимо ус-
тановить критическую серийность, т. е. такие размеры се-
рий, при которых два сравниваемых между собой варианта
оказываются одинаково экономически целесообразными.
Для подсчета числа критической серийности при сопо-
ставлении изготовления поковок ковкой или штамповкой
на молоте можно пользоваться следующей формулой:
N =-------(Фш + Зн)----- (4.10)
(Ск+См.к)-(Сш + См.ш)’ 1 ’
где Зн — затраты на наладку; (?ш — себестоимость штам-
пов; Ск (Сш) — себестоимость одной кованой (штампован-
ной) поковки с учетом термической обработки; См к (См ш) —
себестоимость механической обработки кованой (штампо-
ванной) поковки.
Кривые, характеризующие себестоимость одной поковки
детали-кольца в зависимости от серии при различных ва-
риантах технологического процесса, показаны на рис. 4.3.
Анализируя рисунок, делаем вывод, что ковка целесооб-
разна лишь при условии, если партия поковок не превыша-
ет 210 шт.; штамповка на ГКМ рентабельна, когда партия
поковок более 210 шт., штамповка на КГШП — при партии
более 400 шт., а штамповка на молоте — при серийности не
менее 480 шт.
Таким образом, наиболее рентабельной является штам-
повка на горизонтально-ковочной машине, так как: отсут-
ствует резка прутка на мерные заготовки; можно штампо-
вать несколько заготовок с одного нагрева; отсутствует за-
263
Объем выпуска, шт.
Рис. 4.3. Зависимость себестоимости изготовления
поковки «кольцо» от способа ее получения [35]:
1 — ковка на молоте; 2 — штамповка на молоте в от-
крытом штампе; 3 — штамповка на КГШП в открытом
штампе; 4 — штамповка на ГКМ
усенец; нет необходимости в специальных обрезных штам-
пах и специальном обрезном прессе; более высокая произ-
водительность.
Штамповка на молоте наименее целесообразна, так как:
больше расход металла на напуски и припуски; значителен
отход металла в заусенец; имеются обрезные штампы и прес-
сы, дорогостоящие массивные штампы. Критическая серий-
ность зависит от марки металла и сложности поковок. Наибо-
лее дорогостоящие материалы (коррозионно-стойкие стали,
Таблица 4.8 Критическая серийность для поковок различной группы сложности, шт./год титановые сплавы) име- ют самые низкие значе- ния критической серий- ности (табл. 4.8). Наибольший эффект в снижении себестоимо- сти получается при уве- личении коэффициента весовой точности, так как статья расходов на металл во много раз пре- вышает любую другую статью расхода при про- изводстве деталей ма- шин. Как изменяются
Группа СЛОЖ- НОСТИ поковок Сталь Тита- новые сплавы
углеро- дистая конст- рукци- онная корро- зионно- стойкая
I 400 350 66 37
II 290 250 55 32
III 220 190 48 28
IV 165 150 40 26
V 96 90 30 17
264
коэффициент весовой точности и коэффициент использова-
ния металла при изготовлении поковки штуцера, показано
на рис. 4.4.
В некоторых случаях для выбора оптимальной заготовки
целесообразно сопоставлять между собой литье и обработку
металлов давлением. Если деталь может быть получена как
из отливки, так и из поковки, то прежде всего необходимо
оценивать требования, предъявляемые к детали условиями
эксплуатации (нагрузки, механические свойства, плотность,
размеры, расположение зерен и т. д.).
Обычно эти требования заданы конструктором и изложе-
ны в чертеже готовой детали. Ответственные детали, к ко-
торым предъявляют повышенные требования по механичес-
ким свойствам, особенно по ударной вязкости, рекоменду-
ется изготавливать из кованых или штампованных загото-
вок. Горячую объемную штамповку наиболее целесообразно
сопоставлять с литьем под давлением, литьем в кокиль и
со штамповкой из жидкого металла.
Если деталь по своей конструкции пригодна для штам-
повки и для литья под давлением, то при выборе спо-
соба изготовления необходимо учитывать следующие па-
раметры.
1. Температура плавления сплава. Например, деталь из-
готавливают из медного сплава. Стойкость форм при литье
под давлением медных сплавов в среднем 5-10 тыс. шт.
отливок, стойкость штампа 10-20 тыс. шт. поковок. Кроме
того, стоимость форм в 1,5-2 раза выше стоимости штампа.
Следует помнить, что параметр шероховатости поверхнос-
ти деталей из медных сплавов, изготавливаемых литьем под
давлением, ухудшается по мере изнашивания формы, так
как на поверхности формы появляется сетка трещин разга-
ра; ухудшение поверхности начинается примерно через
Рис. 4.4. Форма поковок и значения коэффициента весовой точности
детали «штуцер» 1: а — при ковке; б — штамповке на молоте в откры-
том штампе; в — штамповке на КГШП в закрытом штампе; г — штам-
повке на ГКМ
265
Таблица 4.9
1000 отливок. Таким об-
Относительное изменение средней
трудоемкости изготовления оснастки
Группа сложное- Трудоемкость изготовления одной единицы оснастки
штампа пресс-формы
1 1,00 1,25
2 1,88 2,5
3 2,50 3,75
4 — 6,25
разом, здесь все преиму-
щества на стороне горячей
объемной штамповки. Ес-
ли же материалом дета-
ли являются легкоплавкие
сплавы, например алю-
миниевые или цинковые,
целесообразно применять
литье под давлением.
2. Толщина стенки и
конфигурация деталей.
Если деталь тонкостенная,
сложной конфигурации и
может быть направлена в сборку без механической обра-
ботки или при небольшом объеме механической обработ-
ки, то более целесообразно применять литье под давлени-
ем. Если деталь толстостенная, сопрягается с высокой точ-
ностью с другими деталями и требуется механическая об-
работка по всему контуру детали, то целесообразна горячая
объемная штамповка.
При литье под давлением в толстостенных деталях могут
быть повышенная газовая пористость и, следовательно, низ-
кое качество металла детали. Если к деталям предъявляются
повышенные требования по плотности и механическим свой-
ствам, то предпочтительнее горячая объемная штамповка.
Сопоставляя горячую объемную штамповку и литье под
давлением, необходимо учитывать также стоимость оснаст-
ки. В табл. 4.9 дана сравнительная трудоемкость обработки
штампов и пресс-форм для деталей различной сложности.
При сравнении с центробежным литьем для деталей типа
тел вращения необходимо учитывать преимущества горя-
чей объемной штамповки:
припуски меньше, чем при центробежном литье, где труд-
но получить детали с толщиной стенок менее 10 мм;
более равномерная структура и высокая плотность штам-
пованных заготовок, меньшая степень загрязнения неме-
таллическими включениями;
возможность получения заготовок с цилиндрической по-
лостью, которая имеет ломаную образующую.
Особенно целесообразно применять горячую объемную
штамповку для мелких, заготовок (наружным диаметром
до 100 мм); затраты металла при этом на 25-40 % меньше,
чем при центробежном литье. Для заготовок большего диа-
266
Таблица 4.10
Ориентировочная годовая потребность в штампах,
металлических моделях, пресс-формах и кокилях,
трудоемкость их изготовления, ремонта и восстановления
Показатель Подкладные штампы для молотов на 1 т поковок Штампы для КГШП на 1 т поковок Метал- лические модели Пресс- формы, кокили
на 2 т отливок
Годовая потребность в ос- настке для изготовления из- делий средних размеров, кг, при производствах: мелкосерийном и средне- серийном 10-15 25-35 0,9-1,1
крупносерийном 20-30 0,8-1,0
массовом Трудоемкость изготовления, восстановления и ремонта 1 т оснастки: станочные работы, нормо/ч 150 15-25 250 0,7-0,9 1000-1200 13-17 2800-3000
слесарно-сборочные работы, чел./ч 40 80
метра преимущества горячей штамповки постепенно умень-
шаются: при наружном диаметре заготовок, равном 150 мм,
более рационально применение центробежного литья, чем
горячей объемной штамповки.
При выборе вида заготовки необходимо также учитывать
стойкость и стоимость оснастки. В табл. 4.10 приведены
технико-экономические показатели использования штампов,
металлических моделей, пресс-форм и кокилей. Тип произ-
водства играет основную роль при выборе способа получе-
ния заготовки. В табл. 4.11 приведена себестоимость полу-
чения заготовок механической обработкой, литьем и горя-
чей штамповкой.
Таким образом, процессы обработки металлов давлением
занимают ведущее положение в заготовительном производ-
стве в силу своей универсальности, высокой производитель-
ности, сравнительно низкой себестоимости и, главное, по-
ложительного влияния на структуру и механические свой-
ства заготовок.
267
Таблица 4.11
Относительное изменение себестоимости изготовления деталей
для различных способов при различной серийности производства
Слож- ность деталей Масса, КГ Механическая обработка Литье по выплавляемым моделям Горячая объемная штамповка
Число деталей в партии, шт.
250 5000 Св. 5000 250 5000 Св. 5000 250 5000 Св. 5000
Простые До 100 1,00 0,59 0,51 1,10 0,47 0,40 1,04 0,44 0,24
101-500 1,19 0,73 0,64 1,51 0,65 0,58 1,26 0,46 0,25
Св. 501 2,66 1,76 1,55 3,02 1,42 1,31 2,41 0,64 0,35
Сложные До 100 8,82 3,80 2,95 2,48 1,14 0,84 7,10 1,14 0,50
101-500 10,13 4,40 3,44 3,27 1,45 1,13 7,62 1,23 0,54
Св. 501 20,30 9,03 7,12 6,47 2,96 2,32 11,67 1,82 0,80
Особо сложные До 100 10,47 4,21 3,22 3,43 1,36 0,92 11,09 1,82 1,08
101-500 12,08 4,90 3,77 4,53 1,76 1,34 11,82 1,93 1,15
Св. 501 23,07 9,95 7,82 9,50 3,39 2,79 17,22 2,69 1,54
4.5. Технико-экономический сравнительный анализ
Отличительной чертой ситуации, связанной с принятием
решения об оптимальном способе получения заготовки, яв-
ляется наличие большого числа вариантов. Сравнительную
оценку возможных вариантов получения заготовки необхо-
димо производить по определенному признаку — критерию.
В настоящее время при выборе технологического процес-
са изготовления заготовок основными технико-экономичес-
кими показателями их эффективности являются Ки м и Кв т,
которые, на наш взгляд, не всегда могут однозначно оценить
эффективность выбранных способов. В табл. 4.12 в качестве
примера показано изменение значения Kw м при различных
способах получения заготовок деталей подшипников.
Действительно, не учитывая программу выпуска, сто-
имость оснастки, затраты на топливо, энергию, освоение
новой техники (в том случае, если какой-либо из рассмат-
риваемых способов не освоен на производстве), трудоемкость
и другие факторы, нельзя дать однозначный ответ, какой
из этих способов получения заготовки эффективнее: ковка
268
с раскаткой или высад-
ка с раскаткой, холод-
ная высадка или попе-
речная прокатка.
Таким образом, вы-
деление критерия и его
формализация должны
осуществляться так,
чтобы обеспечить соот-
ветствие решений, при-
нимаемых на любом
уровне, общегосударст-
венным интересам и
интересам конкретно-
го предприятия. Сле-
довательно, выбор спо-
соба получения заготов-
ки должен рассматри-
ваться во взаимосвязи
с другими объектами,
Таблица 4.12
Коэффициенты использования металла
для некоторых способов получения
деталей подшипников
Способ получения заготовок Кц.м
Производство ша Холодная высадка ров 0,745
Поперечная прокатка 0,751
Горячая штамповка на молотах Производство ко Раскатка после ковки 0,608 л е ц 0,443
Раскатка после высадки 0,442
Высадка на ГКМ 0,416
Ковка на молотах 0,253-0,38
Штамповка на молотах 0,206
т. е. как система.
Такой подход при решении указанной задачи реализует-
ся при использовании системного анализа, который дает
дополнительные возможности для научного обоснования при-
нятого решения и существенным образом повышает каче-
ство выбора решения.
Технологический процесс изготовления детали представ-
ляет собой сложную систему с большим числом параметров,
каждый из которых зависит от физических, экономических,
технических и других факторов. Поэтому выбор наиболее
благоприятного (с точки зрения технических и экономичес-
ких условий конкретного производства) технологического
процесса изготовления детали является неразрешимой зада-
чей в условиях «ручного» проектирования технологических
процессов. Этим вызываются и встречающаяся подчас недо-
статочно качественная подготовка производства, и завышен-
ный расход материалов и энергоресурсов, и неэффективное
использование оборудования, и т. п.
Применение ЭВМ при технологической подготовке про-
изводства, в частности при выборе оптимального способа
получения заготовки, позволит не только повысить эффек-
тивность работы инженерно-технических работников, но и
значительно сократить время собственно подготовки произ-
водства при более качественной ее проработке.
269
Особую актуальность эти вопросы приобретают при реа-
лизации с помощью ЭВМ оптимизационных задач планиро-
вания, учета и регулирования на базе комплексного анали-
за производственной ситуации в рамках автоматизирован-
ных систем управления (АСУ) предприятиями и отраслями
промышленности.
При этом решение задачи выбора оптимального способа
получения заготовки даст возможность формировать оптималь-
ную потребность в материалах (по предприятию, отрасли,
министерству), определять и регулировать загрузку оборудо-
вания, выявлять потребность в нем, формировать рациональ-
ный производственный план предприятия, выявлять необхо-
димость и целесообразность внедрения новых, более прогрес-
сивных технологических процессов. Кроме того, сокращение
длительности технологической подготовки производства за счет
снижения ручного труда ускорит период освоения новых из-
делий, способствуя тем самым дальнейшему росту техниче-
ского прогресса и производительности труда.
Использование ЭВМ при выборе способа получения за-
готовки предопределяет наличие математической модели,
а также алгоритма соответствующего процесса. Разработка
такой модели применительно к выбору способа получения за-
готовки — сложная, комплексная проблема, требующая при-
влечения к ее решению как специалистов в области математи-
ческого моделирования и программирования, так и специали-
стов в областях технологии машиностроения, металлургии,
обработки металлов давлением, литья, механической и тер-
мической обработки металлов, экономики производства.
Разработку и внедрение автоматизированной системы вы-
бора способа получения заготовки целесообразно осуществлять
в два этапа. На первом этапе решение задачи реализуют
в рамках одного завода, предприятия, производственного объ-
единения. При этом отрабатывают и совершенствуют крите-
рии оптимизации и алгоритм, обеспечивающий выбор опти-
мального варианта изготовления заготовки среди существую-
щих, освоенных способов, накапливают необходимые данные.
В этом случае задача упрощается тем, что объем предва-
рительной информации, необходимой для принятия правиль-
ного решения, ограничивается небольшим числом освоен-
ных на предприятии способов получения заготовок (как
правило, не превышающих 20-30 наименований), опреде-
ленной, устоявшейся номенклатурой деталей, узким интер-
валом изменения габаритных размеров деталей, типажом
имеющегося оборудования и т. д.
270
Накопление предварительной информации и создание бан-
ка данных на предприятиях отрасли создают объективные
предпосылки для перехода ко второму этапу — выбору спо-
соба получения заготовки на основании анализа освоенных
процессов в масштабах отрасли. При этом появляется воз-
можность вводить необходимые данные о прогрессивных
видах формообразования, еще не освоенных предприятиями
отрасли, выбирать оптимальный способ получения заготов-
ки с учетом концентрации и специализации производства,
планомерно решать вопросы повышения технического уров-
ня заготовительного производства в масштабах отрасли.
Прежде чем проводить технико-экономический анализ,
необходимо провести сравнительный анализ и выбрать це-
лесообразные варианты изготовления заготовки.
Технико-экономический анализ основан на одновремен-
ном анализе себестоимости и трудоемкости как в заготови-
тельных, так и в механических цехах, т. е. необходимо оп-
ределить себестоимость и трудоемкость изготовления дета-
ли по всем выбранным вариантам, сопоставить их между
собой и на основании этого выбрать способ получения заго-
товки с минимальной себестоимостью готовой детали при
условии обеспечения технических требований. Если при
выбранных способах объем механической обработки одина-
ков, можно ограничиться подсчетом себестоимости только
в заготовительных цехах. В данном случае остановимся лишь
на двух формулах: для определения производственной себе-
стоимости Сф и технологической себестоимости Ст. Произ-
водственная себестоимость охватывает все затраты предпри-
ятия на изготовление детали:
Сф = Сц + СОсв + Сбр + Сн 3, (4.11)
где Сц — цеховая себестоимость детали; Сосв — затраты на
освоение; Сбр — затраты, обусловленные браком; Сн 3 —
общезаводские накладные затраты.
Цеховая себестоимость складывается из соответствующих
затрат по отдельным цехам, которые участвуют в изготов-
лении детали.
В общем виде цеховая себестоимость может быть опреде-
лена по формуле
Сц = см + ст,
где См — затраты на основные и вспомогательные материа-
лы; Ст— технологическая себестоимость детали.
271
Весьма часто для выбора технологичного варианта полу-
чения заготовки достаточно определить технологическую
себестоимость сравниваемых вариантов. Причем при сопо-
ставлении вариантов под технологической себестоимостью
можно подразумевать только сумму затрат, изменяющихся
в зависимости от принятого варианта.
Технологическая себестоимость одной детали
Ст = М + 3 + И + 0,
где М — стоимость расходуемых основных материалов; 3 —
заработная плата производственных рабочих; И — расхо-
ды, связанные с использованием инструмента и оснастки;
О — расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией
оборудования за время, необходимое для изготовления од-
ной детали.
Все слагаемые, составляющие технологическую себесто-
имость, взаимосвязаны, так как изменение вида и массы
заготовки, обрабатываемости материала, потребного инст-
румента и оснастки может вызвать соответствующие изме-
нения объема последующей механической обработки, тру-
доемкости технологических операций и соответственно за-
работной платы производственных рабочих. Изменение объ-
ема, времени и характера обработки заготовок может выз-
вать изменение типажа технологического оборудования, т. е.
затрат на его содержание и эксплуатацию. Предпочтение
следует отдавать тому варианту получения заготовки, тех-
нологическая себестоимость которого будет наименьшей.
Для определения себестоимости готовой детали можно
использовать графический метод. Этот метод получил рас-
пространение на предприятиях, где имеется постоянная
номенклатура изделий, меняется лишь их число. Для этого
строят зависимость себестоимости изготовления детали от
объема выпуска деталей для различных вариантов техноло-
гических процессов. По шкале ординат откладывают себе-
стоимость готовой детали, по шкале абсцисс — объем вы-
пуска в логарифмическом масштабе. Из графика (рис. 4.5)
видно, что чем больше деталей в партии, тем более эконо-
мичны процессы 3 и 4.
Следует еще раз подчеркнуть, что прежде чем выбирать
заготовку для изготовления той или иной детали, необходим
тщательный сравнительный технике — экономический ана-
лиз, который следует провести для конкретной детали, изго-
товляемой из определенного сплава и в определенных усло-
виях производства. Только в этом случае выбранный вари-
272
ант получения заготов-
ки может быть оценен
как рациональный.
Интенсификация про-
изводства в современ-
ных условиях научно-
технической революции
охватывает широкий
комплекс мероприятий
по совершенствованию
техники и технологии,
направленных на мак-
симальное сокращение
затрат при неизменном
или растущем объеме
выпуска. Она является
многоплановым, широ-
ким понятием и вклю-
чает различные пути и
средства экономии вре-
Рис. 4.5. Графический метод определения
эффективности получения заготовок:
1 — литье в песчано-глинистые формы; 2 — ков-
ка в подкладных штампах; 3 — литье в кокиль;
4 — горячая объемная штамповка; Nt,.... Ns —
числа критической серийности
мени, трудовых ресурсов, роста производительности труда,
повышения темпов технического прогресса и получения за-
данного объема продукции в установленные или более ран-
ние сроки.
Интенсификация техники характеризует не только ее
обновление и непрерывное совершенствование, но и улуч-
шение использования, увеличение загрузки и сменности
работы. Современный уровень развития техники в значи-
тельной мере предопределил и многовариантность техноло-
гических процессов в машиностроении, возможность выбо-
ра рационального решения в зависимости от поставленных
задач, объема выпуска продукции и типа производства, тех-
нико-экономических, эксплуатационных и качественных
характеристик выпускаемой продукции. Успешное реше-
ние возникающих перед технологами задач в этих услови-
ях обязывает, чтобы при технической адекватности выби-
ралось такое решение, которое гарантирует наибольшую
экономическую эффективность.
Применение малоотходной технологии, получение заго-
товок, по форме и размерам приближающихся к готовым
деталям, широкое использование эффективных замените-
лей металла, а также фасонных профилей проката — все
это не только оказывает влияние на типаж машинного пар-
ка и экономические показатели производства, но и в значи-
273
тельной степени ускоряет освоение и внедрение новейшей
технологии. Однако способ получения заготовки по своим
техническим возможностям не должен рассматриваться
в отрыве от технологии последующей механической обра-
ботки. В противном случае успехи, достигнутые в заготови-
тельном производстве, могут быть сведены на нет увеличе-
нием затрат и трудоемкости при механической обработке.
Поэтому для достижения максимальной эффективности эти
задачи следует решать на основе развернутого технико-эко-
номического анализа всех факторов производства.
Поскольку речь идет о сравнительной ценности и при-
годности каждого из вариантов в конкретных условиях по-
ставленной задачи в отношении объема производства, ра-
ционального использования людских, материальных, энер-
гетических и технических ресурсов, а также всех эксплуа-
тационных требований, предъявляемых к продукции, то этот
анализ должен носить комплексный характер.
Стоимостную оценку адекватных технологических про-
цессов строят на определении для каждого из них или годо-
вой технологической себестоимости, или приведенных за-
трат, рассчитываемых по всем операциям изготовления за-
готовок и их обработки.
Технологическую себестоимость изготовления литых,
кованых или штампованных заготовок можно определить
следующим образом:
с? =(С£ + Зшт.к+Ро)Пг + Согс, (4.12)
где Пг — годовая программа.
Технологическая себестоимость механической обработки
Стм = (3^ + Ро + РИ)ПГ + З".3 + Согс. (4.13)
Составляющие технологической себестоимости:
стоимость основного материала
{-"м = (-'м-^общ — Дотх-^отх > (4.14)
где См — стоимость 1 кг материала, коп.; Мобщ — общая
масса материала, расходуемого на 1 шт., кг; Цотх — цена
1 кг отходов, коп.; Мотх — общая масса реализуемых отхо-
дов, кг;
заработная плата производственных рабочих
по штучно-калькуляционному времени
^шт-к — ^д^с^Лпт-к
(4.15)
274
по штучному времени
Зшт = ЕфГдЯсНщт > (4.16)
где С” — часовая тарифная ставка производственного ра-
бочего, коп.; Кд и Кс — коэффициенты, учитывающие до-
полнительную заработную плату и отчисления; Ншт.к и
Ншт — норма штучно-калькуляционного и штучного вре-
мени, ч;
расходы на содержание и эксплуатацию оборудования
Pq ~ XОи-ч-^шт-к ’ ИЛИ Ро = СМ-ЧЯШТ ’ (4.17)
где См.ч — себестоимость машино-часа применяемого обо-
рудования, коп.;
расходы на эксплуатацию инструмента
Л,=МНмаш. (4.18)
где — часовые затраты на содержание инструмента, коп.;
Нмаш — норма машинного времени (времени резания), ч.;
годовая заработная плата наладчика по подготовитель-
но-заключительному времени
Зп-з=пХС^дЯсЯп.3, (4.19)
где п — число партии или переналадок за год; Сц — часо-
вая тарифная ставка наладчика, коп.; Нп_3 — норма подго-
товительно-заключительного времени, ч;
годовые затраты на оснастку
Согс=ЯосХСос, (4.20)
где Кос = Ка + Кэ — коэффициент, учитывающий аморти-
зацию и эксплуатацию оснастки; Сос — стоимость оснаст-
ки, коп.
При решении вопроса о выборе рационального способа
получения заготовки могут возникнуть две ситуации.
1. Технолог и конструктор свободны от требований и ус-
ловий действующего (или организуемого) производства. Пе-
ред ними стоит задача выбрать из ряда равноценных по
качеству готовой продукции вариантов наиболее рациональ-
ный и с учетом его особенностей спроектировать деталь.
2. Технолог и конструктор должны решить вопрос о за-
мене действующего процесса более рациональным, более эф-
фективным.
275
В первом случае задачу следует решать путем определе-
ния варианта, который обеспечивал бы максимальное зна-
чение комплексного показателя, зависящего от всех техни-
ко-экономических показателей. Во втором случае выбор
варианта определяют максимумом годовой экономии Эг,
получаемой от снижения технологической себестоимости за
счет внедрения предлагаемого варианта Сп взамен существу-
ющего, базового С&
Эг=(С6-Сп)Пт. (4.21)
Основная проблема, которая на протяжении десятилетий
решается технологами различного профиля (литейщиками,
кузнецами, механиками), заключается в том, чтобы найти
рациональный способ получения готовой детали в заготови-
тельной фазе. Этим отчасти и объясняется то многообразие
способов получения заготовок, которое характерно для со-
временного заготовительного производства. Однако все эти
способы дают наибольший эффект в определенных услови-
ях, в частности при определенной программе выпуска дета-
лей. Таким образом, область их эффективного применения
определяется объемом производства.
Так, до недавнего времени, бытовало вполне оправданное
мнение о том, что листовая штамповка из-за высокой сто-
имости штампов эффективна только при крупносерийном или
массовом производствах. Появление поэлементной штампов-
ки, с одной стороны, дало возможность распространить лис-
товую штамповку на все типы производства, включая мел-
косерийное и единичное, с другой — дало толчок к созданию
специализированного оборудования (координатные дыропро-
бивные прессы с ЧПУ), послужившего основой для создания
принципиально новых производств — гибких автоматизиро-
ванных производств (ГАП). Естественно, это стало возмож-
ным только за счет некоторого снижения требований к точ-
ности получаемых деталей. Видимо, сохранение тех требова-
ний к точности деталей, которые правомерны и необходимы
в условиях массового производства, привело бы к значитель-
ному удорожанию технологии и в конечном счете к невоз-
можности ее применения при мелкосерийном и единичном
выпуске деталей.
Нормативные материалы, используемые в сопоставитель-
ных расчетах, во многом зависят от объемов выпуска и се-
рийности производства. Именно эти факторы больше всего
влияют на нормы затрат времени, труда и материалов, по-
скольку связаны с технологией. Они же предопределяют
276
Таблица 4.13
Технико-экономические показатели литейного производства
при разных уровнях его концентрации
Годовой выпуск, т Число цехов, % от общего числа, выпускающих данную продукцию Доля выпуска в общем количестве, % Изменение себестоимости 1т отливок Изменение выпуска на одного работающего
Чугунные отливки
500 30,5 0,9 1,79 0,20
25 000 6,3 61,1 1,0 1,0
Стальные отливки
500 42,9 1,1 3,08 0,20
25 000 5,1 52,9 1,0 1,0
Отливки из цветных сплавов
500 41,8 2,1 1,11 0,53
25 000 9,9 67,2 1,0 1,0
условия для разумного выбора оборудования, размеры его
оптимальной загрузки, экономически оправданного оснаще-
ния процесса и т. п. В табл. 4.13 и табл. 4.14 приведены
некоторые технико-экономические показатели литейного и
кузнечно-штамповочного производств в зависимости от вы-
пуска продукции.
Нередко решающим при выборе оптимального способа и
технологического процесса получения заготовки является
Таблица 4.14
Зависимость производительности труда и себестоимости продукции
от концентрации производства (в относительных единицах)
Годовой выпуск, т Изменение выработки на одного работающего Изменение себестоимости 1 т
поковок штамповок поковок штамповок
До 500 0,24 0,17 1,27 1,31
501-1000 0,27 0,23 1,17 1,29
1001-3000 0,31 0,29 1,14 1,27
3001-6000 0,49 0,48 1,10 1,22
6001-20 000 0,55 0,58 1,07 1,20
20 001-50 000 0,66 0,83 1,03 1,10
Св. 50 000 1,00 0,85 1,00 1,00
277
стоимость оснастки. В таких случаях целесообразно приме-
нить укрупненный способ расчета, основанный на опреде-
лении критического объема производства, при котором ста-
новится экономически целесообразным использование до-
рогой оснастки. Так, при сопоставлении двух вариантов
литья для определения критической программы Пк прибе-
гают к формуле
пк = ^+3^+Ро)ф+с1 (
(С^ + З^+Р^Ф + С^
где и — стоимость основного металла по первому и
второму вариантам; ЗщТ.к и ЗщТ.к — расходы на оплату
производственных рабочих по штучно-калькуляционному
времени при каждом варианте; р° и р° — расходы да со-
держание и эксплуатацию оборудования при каждом вари-
анте; Ф — срок службы дешевой оснастки (число формовок
при литье); С(,с и С^с — годовые затраты на оснастку (амор-
тизация и эксплуатация) по каждому варианту.
Срок окупаемости затрат на более дорогую оснастку
С0=Ф^- (4.23)
‘‘г
Если по расчету срок окупаемости затрат на оснастку
оказывается больше нормативного, то более дорогая оснаст-
ка экономически нецелесообразна.
Для процессов обработки металлов давлением оптималь-
ный размер партии деталей т, при превышении которой
следует переходить от ковки к штамповке, определяют по
формуле
т = сш-ск
рК рШ
ьд ьд
где Сш и Ск — себестоимость штампов и ковочных боков;
Сд1 и Сд — себестоимость деталей, полученных из штам-
пованной и кованой заготовок, включая затраты на меха-
ническую обработку.
Одной из основных задач при выборе оптимального спосо-
ба получения заготовки является выполнение всех требова-
ний, предъявляемых к качеству готовой продукции. При этом
следует помнить, что качество продукции зависит в первую
очередь от уровня технологического процесса. Многие ме-
278
роприятия, направленные на повышение качества конечной
продукции, бывают связаны с необходимостью применения
более дорогого заготовительного оборудования, специальной
технологической оснастки или с включением в технологиче-
ский процесс дополнительных операций; естественно, что все
это может потребовать и дополнительных расходов. Опреде-
ление экономической оправданности таких расходов можно
производить по формуле, рекомендованной в работе [4] ,
< J*. (Я,-Ив))-К?(К,-Кв)
пр pH + pH "Р
*УД УД
Пгн,
(4.25)
где Руд и Р”д — удельные расходы базового и нового вари-
антов в расчете на единицу продукции, выпускаемой потре-
бителем, натуральные единицы; Иб и Ия — затраты на еди-
ницу продукции при использовании потребителем базового
и нового вариантов; и Кя — сопутствующие капиталов-
ложения потребителя при использовании им базисного и
нового вариантов в расчете на единицу продукции, про-
изводимой из этого материала; П* — годовой объем произ-
водства изделий по новому варианту в расчетном году, на-
туральные единицы; 3^р и Зяр — себестоимость продук-
ции по базовому и новому вариантам.
4.6. Приближенные методы оценки
технико-экономических показателей
При выборе рационального способа получения заготовки
для деталей машиностроения наиболее целесообразно пользо-
ваться показателями, характеризующими основные харак-
теристики и наиболее часто используемые на производстве.
1. Показатели расхода материалов [см. формулы (4.2)-(4.4)].
2. Показатели трудоемкости:
Т3 — трудоемкость получения заготовки;
Тм 0 — трудоемкость механической обработки заготовки;
Т_ — трудоемкость получения детали.
3. Показатели себестоимости:
С3 — себестоимость получения заготовки;
См о — себестоимость механической обработки заго-
товки;
Сд — себестоимость получения детали.
279
Если среди альтернатив имеются варианты, предполага-
ющие закупку заготовок на другом предприятии, то вместо
себестоимости целесообразно включить закупочную цену.
4. Показатели качества заготовки. К показателям каче-
ства относятся как количественные, так и качественные
оценки (например, класс чистоты, шероховатость поверх-
ности, точность заготовок, внешний вид, эргономичность).
5. Показатели экологической безопасности способа полу-
чения заготовки. Следует отметить, что если первые три груп-
пы показателей в настоящее время могут быть выражены
в численной форме с той или иной точностью, то последние
две группы показателей представить в численном виде не пред-
ставляется возможным. Однако и эти показатели могут быть
включены в анализ при выборе рационального способа полу-
чения заготовки с использованием качественной оценки.
Учитывая, что на стадии выбора способа получения заго-
товки детальная разработка альтернативных технологий не
Таблица 4.15
Данные для расчета себестоимости изготовления поковок [4]
Горячая штам- повка Детали Масса поковки Q, кг Норма расхода материала Зи.р,кг Усилие пресса Р, тс, МПЧ молота G, т Себестоимость С, руб./шт.
а Р a Р а Р а Р У
Намоло- тах Вилки 1,43 0,94 1,84 0,92 1,53 0,31 0,384 0,72 0,15
Рычаги 1,33 0,91 1,61 0,94 1,45 0,34 0,385 0,72 0,16
Круглые в плане 1,62 0,94 1,45 0,94 1,26 0,40 0,284 0,78 0,15
Валы 1,88 0,95 1,38 0,94 1,32 0,38 0,275 0,81 0,14
Прочие 1,55 0,92 1,52 0,98 1,40 0,35 0,307 0,74 0,15
На ГШП С удлинен- ной осью 1,47 0,97 1,35 0,98 1370 0,40 0,142 0,78 род
Круглые в плане 1,70 0,96 1,33 0,96 1240 0,42 0,137 0,80
На ГКМ С удлинен- ной осью 1,92 0,96 1,34 0,91 620 0,27 0,15 0,80
Круглые в плане 1,44 0,94 1,11 0,99 310 0,42 0,134 0,81
Примечание. Формулы для расчета себестоимости: Q = алф QK р = а(?^;
G=aQ^; P = aQ^; ск.з = KaQ$Gy; Сш 3 = где Mg — масса детали, кг;
К — коэффициент, учитывающий изменение цен; Скз и Сшз — себестоимость
кованой и штампованной заготовки.
280
Таблица 4.16
Область существования уравнений табл. 4.15
Горячая штам- повка Детали Штучное время, мин Годовой выпуск тыс. шт. Масса поковки, кг Усилие пресса, тс, МПЧ, т
На моло- тах Вилки 0,11-1,83 0,8-210,0 0,18-15,0 0,63-3,0
Рычаги 0,12-1,41 0,4-162,0 0,14-13,0 0,63-4,0
Круглые в плане 0,14-3,85 0,3-200,0 0,11-12,6 1,0-15,0
Валы 0,1-5,53 0,3-290,0 0,35-64,0 1,0-10,0
Прочие 0,15-3,92 0,4-320,0 0,17-80,0 0,63-10,0
На КГШП С удлинен- ной осью 0,11-2,58 0,7-460,0 0,16-20,2 630-6300
Круглые в плане 0,12-2,14 0,8-450,0 0,17-25,4 630-6300
На ГКМ С удлинен- ной осью 0,22-2,91 0,4-346,0 0,4-24,0 300-2500
Круглые в плане 0,19-2,86 0,3-365,0 0,115-54,5 150-2500
представляется возможной, определить значения первых трех
групп показателей можно только приблизительно, исходя из
статистических или иных оценочных зависимостей.
Приведенные ниже рекомендации не носят абсолютного
характера и требуют корректировки, если необходимо опре-
делить точные значения (в основном это касается ценовых
характеристик). Тем не менее как сравнительные (относи-
тельные) величины они могут использоваться при сравни-
тельном анализе различных вариантов получения заготовок.
Себестоимость. Расчет себестоимости получения горяче-
штампованных поковок можно осуществить по зависимостям,
предложенным в работе [49] и представленным в табл. 4.15,
область существования которых представлена в табл. 4.16.
Себестоимость получения литых заготовок можно опре-
делить, воспользовавшись данными, представленными в ра-
боте [26]:
Ол.з
S^iYi/ЮО,
(4.26)
где Aq, cq, «2» -^1 — эмпирические коэффициенты, значе-
ния которых сведены в табл. 4.17; — программа выпуска
281
деталей, шт./год; С — группа сложности заготовки; Кт —
коэффициент, учитывающий точность заготовки (табл. 4.18);
У/ — процентное содержание i-ro легирующего элемента в
материале заготовки (для сталей и чугунов); — стоимость
г-го легирующего элемента.
Для материалов заготовки не сталь и не чугун второе
слагаемое в выражении (4.26) отсутствует.
Таблица 4.17
Эмпирические коэффициенты уравнения (4.26)
Способ литья Материал заготовки (см. прим, табл.) А) “1 «2 -А1
Литье в песчаные формы 1 0,417 0,8996 -0,0545 1,182
2 0,318 0,9138 -0,0275 1,182
3,4 0,477 0,9039 -0,0545 1,182
5 0,558 0,8939 -0,0545 1,182
6 0,683 0,8738 -0,0545 1,182
7 0,520 0,880 -0,0275 1,182
8 1,769 0,9392 -0,0275 1,118
9 1,726 0,9685 -0,0275 1,027
10 4,528 0,9732 -0,0275 1,027
11 1,954 0,9424 -0,0275 1,032
Литье в оболочковые формы 1 0,707 0,8914 -0,0561 1,132
2 0,532 0,9058 -0,0276 1,132
3,4 0,929 0,8695 -0,0561 1,132
5 1,353 0,8723 -0,0561 1,204
6 1,914 0,9057 -0,0561 1,156
7 1,441 0,9201 -0,0276 1,156
Литье в кокиль 1,2 0,652 0,8602 -0,0973 1,191
3,4 0,714 0,8677 -0,0973 1,191
8 2,634 0,9405 -0,0973 1,074
9,10 3,064 0,8390 -0,0973 1,030
11 11,217 0,7697 -0,0973 1,027
Литье в облицованный кокиль 1,2 0,926 0,9137 -0,0644 1,116
3,4 1,016 0,9205 -0,0644 1,116
282
Продолжение табл. 4.17
Способ литья Материал заготовки (см. прим, табл.) Л) «1 «2 •41
Литье под давлением 8 4,772 0,9035 -0,1243 1,030
11 6,170 0,8999 -0,1243 1,030
Литье центробежное 1,2 0,437 0,8708 -0,0755 1,181
3,4 0,477 0,8779 -0,0755 1,181
Литье по выплавляемым моделям 5,6, 7 0,705 0,8552 -0,0755 1,181
3 2,714 0,6832 -0,0924 1,10
4 2,827 0,6923 -0,0924 1,10
5,6 3,250 0,697 -0,0924 1,10
7 4,41 0,737 -0,0924 1,112
9 4,979 0,8726 -0,0924 1,094
10 6,559 0,8636 -0,0924 1,095
11 6,491 0,8663 -0,0924 1,085
Примечание. 1 — чугуны с содержанием никеля до 5 %; 2 — чугуны
с содержанием никеля свыше 5 %; 3 — стали углеродистые; 4 — стали низколе-
гированные; 5 — стали легированные; 6 — стали высоколегированные с содержа-
нием никеля до 5 %; 7 — стали высоколегированные с содержанием никеля свы-
ше 5 %; 8 — сплавы на основе алюминия; 9 — бронзы безоловянистые; 10 —
бронзы оловянистые; 11 — латуни.
Трудоемкость. Трудоемкость кузнечно-штамповочных и
литейных работ ориентировочно может быть оценена по фор-
муле
*н=*а*и.мДи.м, (4-27)
где и ta — трудоемкость получения заготовки для новой
детали и детали аналога соответственно, -К'и.м и -^и.м —
коэффициенты использова-
ния металла для новой де-
тали и детали аналога со-
ответственно.
Под аналогом понимает-
ся деталь той же группы
сложности, из того же ма-
териала, что и новая де-
таль, масса которой
М* =AfJ(l±O,l), (4.28)
Таблица 4.18
Коэффициенты точности КТ
Класс точности отлив- ки из чугуна, стали (цветных сплавов) КТ
1(1,2) 1,10
2(3,4) 1,05
3(5,6) 1,0
283
П* = 7Т£(1±0,1),
(4.29)
группа сложности
Га =Г£(1±0,1). (4.30)
Трудоемкость механообработки заготовки можно рассчи-
тать по формуле
(4.31)
где К® т и Кв т — коэффициенты весовой точности для
новой детали и детали аналога соответственно.
Как известно, себестоимость механообработки пропорци-
ональна трудоемкости. Поэтому для ориентировочной оценки
себестоимости механообработки заготовки также можно
воспользоваться формулой, аналогичной предыдущей, т. е.:
Сн=Саз/(К«т/^ат). (4.32)
Показатели расхода материала. Для способов горячей
объемной штамповки Ки м и Кв т могут быть определены
по данным табл. 4.15, т. е.
Ka.M=Mg/Qn,p; K^Mg/Q. (4.33)
Для литых заготовок можно воспользоваться зависимос-
тью, предложенной в работе [26]. Если известно значение
Л?и м или *в. т Для литья в песчано-глинистые формы, то
Таблица 4.19
Коэффициенты ф и 8
Литье Материал отливки Ф 8
В оболочковые формы Все сплавы 0,6610 -0,1196
В кокиль Цветные сплавы 0,8454 -0,1279
Черные сплавы 1,1984 -0,1279
Под давлением Все сплавы 0,5253 -0,1072
Центробежное Цветные сплавы 0,8466 -0,0361
Черные сплавы 0,8515 0,0
По выплавляемым моделям Все сплавы 0,8734 -0,1196
284
кх =^и.м-ф/^и;м Ф+(1-^;"-ф)<р4пах, (4.34)
где Кх - Кя м (Кв т) для одного из перечисленных выше спо-
собов литья; -ЙГи.’м * (^в/т’*) — для литья в песчано-глинис-
тые формы; Lmax — максимальный габаритный размер от-
ливки; <р и 5 — коэффициенты, определяемые по табл. 4.19.
4.7. Формализация задачи выбора
рационального способа получения заготовки
Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов, связан-
ных с разработкой алгоритма выбора способа получения
заготовки, необходимо обратить внимание на следующее
обстоятельство.
Конструктор детали, назначая материал для ее изготов-
ления, исходит из соображений обеспечения надежной экс-
плуатации изделия в заданных условиях, не сознавая под-
час, что тем самым он определяет метод, а в некоторых
случаях и способ получения заготовки, причем не всегда
рациональный. Тем не менее технолог, разрабатывая тех-
нологический процесс, вынужден руководствоваться этим
документом.
Например, задавая материал для детали сталь 20, конст-
руктор оговаривает тем самым метод получения заготовки —
обработка металлов давлением. В то же время условия экс-
плуатации допускают изготовление этой детали из стали 20Л,
т. е. литьем, что, возможно, для данного производства более
экономично.
Поэтому там, где по условиям эксплуатации не предъяв-
ляется жестких требований к способу получения заготовки,
целесообразно потребовать от конструктора указать подроб-
ные технические требования на деталь, а выбор материала
предоставить технологу и ЭВМ, тем более что опыт решения
подобных задач имеется [60]. В этом случае будут учтены не
только требования конструктора, обеспечивающие условия
надежной эксплуатации детали, но и технолога, обязанного
учитывать интересы и возможности производства.
Возвращаясь к вопросам построения алгоритма выбора
способа получения заготовки, следует отметить, что для
первого и второго этапов решения этой задачи разница за-
ключается только в объеме перерабатываемой информации
(на первом этапе необходима информация, содержащая тех-
285
нико-экономические характеристики о 20-30 способах по-
лучения заготовок, на втором этапе — о нескольких сот-
нях). Поэтому в дальнейшем будем рассматривать методо-
логические вопросы построения алгоритма без указания при-
надлежности его к тому или иному этапу.
Для выбора способа получения заготовки и разработки
технологии изготовления детали исходной информацией
являются:
• чертеж детали;
• технические требования на деталь;
• марка материала, если материал задан;
• объем выпуска (шт./год);
• параметр или несколько параметров, по которым осуще-
ствляется выбор рационального способа получения заготовки.
По исходным данным проводят предварительный техни-
ческий анализ, выбирают возможные способы изготовле-
ния данной детали, включая способы получения заготовки,
после чего осуществляют сравнительный технико-экономи-
ческий анализ.
Целесообразно экономические показатели определять не для
каждой детали в отдельности, а для определенной группы
конструкторско-технологического классификатора. В первом
случае необходимо определять экономические показатели для
конкретной детали, что на данном этапе технологической под-
готовки производства не представляется возможным. Исполь-
зуя же определенную группу классификатора, к которой от-
носится данная деталь, можно воспользоваться усредненны-
ми показателями, характерными для этой группы.
Единый классификатор, охватывающий все возможные
типы деталей, видимо, разрабатывать нецелесообразно, так
как многообразие форм деталей и способов их получения
чрезмерно затруднит пользование им. Более эффективны
классификаторы для отдельных отраслей промышленнос-
ти, например радиотехнической, электронной, автотрактор-
ной, судостроительной и т. д., поскольку в различных от-
раслях промышленности применяются специфические де-
тали и технологические процессы, не используемые в дру-
гих отраслях.
Выбор рационального способа получения заготовки, как
подчеркивалось ранее, должен решаться путем системного
анализа, т. е. анализа возможно большего числа факторов,
характеризующих весь производственный цикл получения
детали и влияющих на эффективность конечного результа-
та. В системном анализе широко применяют самые разно-
286
образные математические методы, однако в данном случае
наиболее приемлемым является метод расстановки приори-
тетов, суть которого подробно изложена в работах [5, 48].
Результаты применения этого метода для решения некото-
рых задач представлены в работе [6].
При решении задачи с помощью метода расстановки при-
оритетов группу рассматриваемых вариантов изготовления
заготовки располагают в ряд по возрастанию или убыва-
нию степени выраженности какого-либо фактора. Если упо-
рядочение вариантов осуществляется по одному фактору,
то задача считается однокритериальной, в противном слу-
чае — многокритериальной. Однокритериальные задачи до-
статочно легко решаются с помощью разнообразных и ши-
роко известных методов ранжирования. Многокритериаль-
ные задачи этими методами не могут быть решены.
Математическая постановка задачи.
Понятия и определения
При управлении организационно-техническими структу-
рами важнейшим является процесс принятия решений,
включающий: определение целей, формирование задачи
принятия решений и, наконец, принятие решений (выбор
альтернатив).
В заготовительном производстве как организационно-тех-
нической структуре необходимость и смысл первого этапа
данного процесса очевидны — решения могут приниматься
в связи с непосредственными целями деятельности лица,
принимающего решения (ЛПР), в частности технолога, при
определении способа получения заготовки для изготовле-
ния конкретной детали.
В данном случае задача принятия решений (ПР) содер-
жательно может быть сформулирована следующим обра-
зом: имеется множество вариантов получения заготов-
ки (альтернатив — технологических процессов), реализа-
ция каждой альтернативы приводит к наступлению не-
которых последствий (исходов — получение заготовки),
анализ и оценивание исходов по набору показателей эф-
фективности (расход материала, трудоемкость, себесто-
имость и т. д.) однозначно характеризуют альтернати-
вы. Требуется, изучив предпочтения ЛПР, построить мо-
дель выбора альтернативы, лучшей в некотором конкрет-
ном смысле.
287
Задача принятия решений характеризуется кортежем
<А, Е, S; Т>,
где А — множество альтернатив; Е — среда задачи ПР; S —
система предпочтений ЛПР.
Требуется выполнить некоторое действие Т над множе-
ством альтернатив А, т. е. найти наиболее предпочтитель-
ную альтернативу, линейно упорядочить множество допус-
тимых альтернатив, отобрать неприемлемые и т. п.
Альтернативой будем называть вариант решения, удов-
летворяющий ограничениям задачи и являющийся спосо-
бом достижения поставленной цели. При выборе способа
получения заготовки альтернативой является сам способ,
удовлетворяющий целому ряду ограничений: обеспечению
качества заготовки не хуже заданного, возможности пере-
работки заданного материала и т. п.
Средой задачи ПР назовем те условия, в которых она осуще-
ствляется и которые необходимо учитывать при формализации
и решении задачи. Имеются в виду конкретные условия пред-
приятия, в которых будет использован выбранный способ.
Под системой предпочтений ЛПР будем понимать сово-
купность его представлений (о критериях достижения по-
ставленной цели, достоинствах и недостатках сравниваемых
альтернатив), позволяющих производить целенаправленный
выбор элементов из множества А в соответствии с требуе-
мым действием Т.
Следует отметить то обстоятельство, что выбор способа
получения заготовки осуществляется в условиях недоста-
точности и неточности информации, когда не для всех аль-
тернативных вариантов может быть получена достоверная
исходная информация.
В общем виде решение задачи выбора способа получения
заготовки состоит из следующих этапов:
• формулирование целей выбора;
• определение показателей, характеризующих варианты;
• определение альтернативных вариантов;
• определение количественных значений показателей или
парных отношений вариантов;
• определение комплексного критерия, определяющего
цель выбора;
• ранжирование вариантов по мере снижения комплекс-
ного критерия.
Задача выбора рационального способа получения заго-
товки характеризуется относительно большим количеством?
288
показателей, по которым сопоставляются альтернативы.
Причем очень часто эти показатели противоречивы, а об-
ласть существования их оценок размыта и недостоверна.
Эти обстоятельства вызывают необходимость применения в
данной методике методов теории нечетких множеств, по-
зволяющей оценивать отношения альтернатив как с коли-
чественной, так и с качественной стороны.
Количественные значения показателей, по которым оце-
ниваются альтернативы Ру, могут иметь как точные зна-
чения (Ру =Ру ), так и неточные (Ру = Ру ±АРу), где Ру —
среднее значение показателя; АРу — доверительный ин-
тервал.
Во втором случае значение Ру может быть получено
в результате статистического анализа или (при отсутствии
исходной информации) путем задания экспертом минималь-
ного и максимального значений показателя для данного ва-
рианта
Рц = (Дпах + ^niin)/2> z^ gg\
Afy=±Pmax-*min)/2.
Качественные отношения сравниваемых вариантов харак-
теризуются лингвистической переменной, определяемой
кортежем:
<В, Т, и, G, М>,
где В — наименование лингвистической переменной; Т —
множество ее значений, представляющих собой наименова-
ния нечетких переменных, областью существования кото-
рых является множество U; G — синтаксическая процеду-
ра, описывающая образование из множества Т новых, ос-
мысленных значений лингвистической переменной.
В нашем случае:
В = «Качественные отношения вариантов»;
Т[1] = «текущий вариант во много раз лучше базового»;
Т[2] = «текущий вариант лучше первого базового»;
Т[3] = «текущий вариант немного лучше базового»;
Т[4] = «текущий и базовый варианты равнозначны»;
Т[5] = «текущий вариант немного хуже базового»;
Т[6] = «текущий вариант хуже базового»;
Т[7] = «текущий вариант во много раз хуже базового».
Значения указанных лингвистических переменных пред-
ставляют собой нечеткие оценки отношения текущего ва-
рианта к некоторому варианту, в качестве которого может
289
Рис. 4.6. Значения функции принадлежности к лин-
гвистической переменной «качественные отношения
вариантов»
выступать базовый. Эти оценки определяются функцией
принадлежности, которая принимает значения, представ-
ленные на рис. 4.6.
Количественные значения показателей для каждого ва-
рианта можно выразить через значения функции принад-
лежности к лингвистической переменной следующим обра-
зом.
Из всех значений показателя (например, А) выбирают-
ся максимальное (4тах) и минимальное (4min). Далее опре-
деляется интервал изменения значений показателя ДР =
= А - А •
Лтах ят1гг
Значение функции принадлежности определяется при
анализе отношений:
if(Аб -AJ/&AC [0,7... 1,0]
if(AE - Ai)/hA а [0,4...0,8]
i^-AJ/SA с [0,1...0,5]
if(AB-A/)/8Ac[-0,l...l,0]
if(AB -)/8А с [-0,5...-0,1]
if(AE - A^/U с [-0,8...-0,4]
if(Ae - Л) / 84 c [-1,0... - 0,7]
Из полученных значений функции
бирается максимальное (ц).
Зная значение функции принадлежности, можно опреде-
лить коэффициент предпочтения КР одного варианта над
другим:
м = Hrjij;
Ц = ЦТ[2]5
И = НТ[3]5
Р- = РТ[4];
И = РТ[5];
И = PT[6j;
Ц = Цт[7].
принадлежности вы-
(4.36)
КР -1 । ехР(Ю~ехр(~ц)
11 ехр(ц) + ехр(-ц)'
Значения коэффициента предпочтения являются исход-
ной информацией для определения приоритетов вариантов
по рассматриваемому показателю.
290
(4.37)
Выше указывалось, что числовые значения показателей
могут задаваться как в точном, так и в неточном виде.
Во втором случае, в зависимости от соотношения значений
показателей и их доверительных интервалов, качественные
отношения рассматриваемых вариантов могут изменяться.
Это обстоятельство вытекает из того, что для статистически
определенных чисел (Ру = Ру ± ДРу) неизвестно, гдедействи-
тельно внутри заданного интервала [(Ру - Afy) ... (Рц+ ДРу)]
находится число. Единственное, что можно сказать о нем,
так это то, что если распределение случайной величины
внутри интервала подчиняется нормальному закону распре-
деления, то с вероятностью 95 % число попадает в этот ин-
тервал. В связи с этим качественные отношения для таких
чисел неоднозначны.
Поясним это на примере.
Пусть сравниваются два варианта (А и В) по некоторому
показателю, значения которого принимают вид
А=А±ДА и В = В±ДВ.
В этом случае возможны отношения, показанные на рис. 4.7.
Из рис. 4.7 видно, что при сравнении нечетко заданных
чисел возникает неоднозначность качественных отношений,
поэтому значения коэффициентов предпочтения требуют
уточнения.
С учетом изложенного коэффициент предпочтения
(^Р(и)^хр(-рП + (4.38)
11 ехр(ц) + ехр(-ц) J гв>а гв-а гв<а’
где Цв>А — принадлежность к понятию В>А; №-в=а~ пРи’
надлежность к понятию В=А; цв<А — принадлежность к
понятию В <А.
При отсутствии количественной оценки показателей по
сопоставляемым вариантам исходные данные могут быть
получены путем экспертной
оценки непосредственно зна-
чений функции принадлеж-
ности лингвистической пере-
менной.
Вычисленные тем или иным
образом коэффициенты пред-
почтения для каждого вари-
анта по каждому показателю
используются для определе-
Рис. 4.7. Возможные отношения
при сопоставлении неточных чисел
291
ния нормированных приоритетов, процедура вычисления
которых подробно изложена в работе [6].
Значения нормированных приоритетов, определенные по
каждому показателю для каждого варианта, используются при
определении коэффициента применимости каждого из рассмат-
риваемых альтернативных вариантов, который используется
как мера оценки рациональности применения конкретного
способа получения заготовки для заданной детали:
j=jy
KnL= ^KPijVj. (4.39)
/=1
Очевидно, что чем ближе коэффициент применимости к
единице, тем более рационально применение способа.
Коэффициенты применимости могут использоваться так-
же для ранжировки альтернативных вариантов по мере сни-
жения рациональности их применения.
Предложенная методика реализована в виде программы,
работающей в среде Windows. Программа не привязана
к решению конкретных задач выбора рационального спосо-
ба получения заготовки, что позволяет решать задачи само-
го разнообразного круга — от технических (выбор оборудо-
вания, поставщика продукции, технологических процессов,
проекта реконструкции и перевооружения завода, цеха, от-
деления и т. п.) до социальных (выбор места работы, рас-
пределение мест в конкурсе, выбор руководителя подразде-
ления и т. п.).
Подробное описание программы выбора рационального
варианта представлено в приложении 1.
Ниже представлены результаты решения задачи «Выбор
рационального способа получения заготовки для детали «шес-
терня ведущая».
В задаче рассматриваются девять вариантов, в том числе:
VI — механообработка; V2 —
ковка с прошивкой; V3 — ковка
в подкладных штампах; V4 — го-
рячая объемная штамповка на
молоте; V5 — горячая объемная
штамповка на КГШП; V6 — го-
рячая объемная штамповка на
ГКМ; V7 — литье в песчано-гли-
нистые формы; V8 — литье цент-
робежное; V9 — литье в оболоч-
ковые формы.
292
На рис. 4.8 пред-
ставлен эскиз детали
♦ шестерня ведущая »,
а на рис. 4.9 — эски-
зы заготовок для каж-
дого рассматриваемого
варианта.
Оценка вариантов
производится по 15 по-
Рис. 4.9. Эскизы заготовок для рассматри-
ваемых вариантов
казателям, характери-
стики которых приве-
дены в табл. 4.20.
В табл. 4.21 и табл. 4.22 представлены значения приорите-
тов при различных значениях значимости (весов) показателей.
Рекомендуемый вариант — горячая объемная штампов-
ка на ГКМ (V6).
Таблица 4.20
Характеристика показателей оценки
вариантов получения детали «шестерня ведущая»
Обозна- чение Показатель Тип Знак Базовый вариант
Р1 Коэффициент весовой точности Число + V9
Р2 Коэффициент выхода годного Число + V9
РЗ Коэффициент использования металла Число + V9
Р4 Себестоимость изготовления заготовки, руб. Число - V7
Р5 Себестоимость механообработки, руб. Число - V9
Р6 Себестоимость изготовления детали, руб. Число - V9
Р7 Трудоемкость изготовления заготовки, нормо-ч Число - V6
Р8 Трудоемкость механообработки, нормо-ч Число - V9
Р9 Трудоемкость изготовления детали, нормо-ч Число - V9
РЮ Оперативное время изготовления заготов- ки, ч Число - VI
Р11 Оперативное время механообработки, ч Число - V7
Р12 Оперативное время изготовления детали, ч Число - VI
Р13 Затраты на оснастку в заготовительном це- хе, руб. Число - VI
Р14 Затраты на оснастку в механическом цехе, руб. Число - V7
Р15 Общие затраты на оснастку, руб. Число - V7
293
294
Таблица 4.21
Значения приоритетов и места, занимаемые вариантами, при весе 1
Пока- затель Способы получения заготовки
VI V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9
Р1 0,179 '1 0,079 .8, 0,083 /7 0,101 6; 0,106 5 0,117 3 0,108 4 0,108 0,119 2
Р2 0,041 0,134 со । 0,136 »2” 0,134 *31 0,134 з 0,128 i?4 0,059 6 0,139 0,095 5
РЗ 0,097 0,075 :;8> 0,084 «чл • 1 0,124 4‘ 0,138 3 0,156 1 0,054 9 0,152 4^? 0,120 5
Р4 0,174 Lt 0,089 81 0,094 У 7 0,110 !-6i 0,115 :'4 0,119 2 0,073 9 0,118 3 0,108 6.
Р5 0,043 к 0,098 *7' 0,107 в. 0,130 0,136 3. 0,143 0,076 8 0,141 2 0,127 4
Р6 0,094 0,079 8 0,092 .7 0,128 :,4, 0,139 3 0,150 .1. 0,048 ’'9< 0,147 .'"t 0,123
Р7 0,169 5$. 0,099 ,8е 0,107 .7' 0,109 5 0,114 3 0,115 2 0,066 9 0,108 6^ 0,113 •4
Р8 0,036 ;,7 0,116 .6 0,117 S 0,120 £«’4‘ 0,121 3 0,122 *2 0,117 5 0,121 3 0,132 >1:
Р9 0,082 7 0,098 6 0,114 5 0,122 L4 0,133 3 0,135 2 0,046 8 0,122 4 0,147 1
РЮ 0,164 st 0,096 ?8 0,097 St 0,117 0,121 3 0,123 2 0,061 9 0,103 6 0,119 4
Р11 0,035 :8. 0,109 ’-7' 0,117 6 0,119 .5; 0,122 4 0,126 2 0,117 6: 0,125 3 0,130 1
Р12 0,067 7 0,087 16- 0,100 5 0,133 3 0,142 •2 0,151 1 0,049 8 0,119 4 0,151 1
Р13 0,170 'г 0,154 0,104 ^4 . 0,099 0,094 6 0,094 6 0,067 8 0,126 s3’. 0,091 7‘
Р14 0,051 6 0,069 Л 0,106 0,118 ft 0,133 2 0,133 2 0,106 S4; :;.v 0,133 ^2/. 0,153 ,1
Р15 0,060 а 0,079 0,096 0,111 0,132 0,133 0,061 0,163 0,164
295
Таблица 4.22
Значения приоритетов и места, занимаемые вариантами, при различных весах
Пока- затель Вес Способ получения заготовки
VI V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9
Р1 6 0,179 а 0,079 <7- 0,082 <6 0,100 ,5 0,106 I4' 0,117 3 0,108 3 0,108 3 0,119 2
Р2 6 0,041 0,134 а. 0,136 2 0,134 з. 0,134 3 0,127 • 4 0,059 6 0,138 1 0,094 5
РЗ 6 0,096 в 0,075 8. 0,083 . 7 0,124 -4. 0,138 3 0,156 1 0,053 9 0,152 2 0,119 5
Р4 4 0,174 1, 0,089 ;8'| 0,094 7ь 0,110 Д; 0,115 4”. 0,119 2 0,072 /9 0,118 3 0,108 6
Р5 5 0,043 0,098 , 7 ’ 0,107 6 0,129 ;4 0,136 3 0,142 1 0,076 8 0,140 2 0,126 5
Р6 10 0,094 «6 0,078 8< 0,092 7, 0,128 4* 0,139 3 0,149 1 0,048 9 0,147 2 0,123 5
Р7 3 0,168 "Д 0,099 ‘.8J 0,107 0,109 .'.51 0,114 3 0,115 \2 0,065 19 0,108 6 0,113 .4,
Р8 3 0,036 6 0,115 .'б- 0,116 41 0,119 3 0,121 2f 0,121 2 0,116 4 0,121 2 0,132 1
Р9 6 0,082 7 0,098 6 0,114 5 0,122 4 0,133 3 0,135 2 0,046 8 0,122 4 0,146 1
РЮ 4 0,164 1 0,095 8 0,097 7 0,117 5 0,120 3 0,123 2 0,061 9 0,102 6 0,119 4
Р11 4 0,035 8 0,108 7’ 0,117 6 0,119 ;б 0,121 4 0,126 2 0,117 6 0,125 3 0,130 1
Р12 4 0,067 7 0,086 6 0,100 5 0,133 ,3 0,141 2 0,151 1 0,049 8 0,119 4 0,151 1
Р13 8 0,170 . 1 0,154 2 0,104 .4 0,098 5 0,094 6,' 0,094 6 0,067 8 0,126 3 0,091 7
Р14 1 0,050 8 0,069 7 0,105 6 0,117 -?47 0,132 3 0,133 2 0,106 5 0,132 з 0,153 1
Р15 4 0,060 9 0,079 7 0,096 6 0,111 5 0,132 4 0,133 3 0,061 8 0,163 2 0,164 1
Глава 5
ОСОБЕННОСТИ МЕЛКОСЕРИЙНОГО
ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК
Ускоренный темп роста машиностроительной промышлен-
ности, значительное увеличение номенклатуры деталей, необ-
ходимость быстрого освоения производства деталей высокого
качества, снижение стоимости их изготовления, рациональ-
ное использование материальных и энергетических ресурсов —
все это требует коренного перевооружения производства за счет
внедрения комплексной автоматизации производственных
процессов и технологической подготовки производства. Осо-
бенно важной эта задача становится для предприятий с се-
рийным и мелкосерийным типами производства.
Решение вопроса повышения эффективности производ-
ства в этих условиях нашло свое отражение в создании гиб-
ких автоматических производств (ГАП) на базе универсаль-
ного оборудования с применением роботов-манипуляторов.
Совершенствование базы технологической подготовки идет
по пути создания автоматизированных систем проектиро-
вания технологических процессов (АСПТП), однако вопро-
сам автоматизации при выборе способа получения заготов-
ки все еще уделяется недостаточное внимание.
В условиях мелкосерийного производства одной из глав-
ных задач является выбор наилучшего технологического
процесса, т. е. определение такого технически допустимого
сочетания технологических параметров или технологиче-
ских процессов, которые отвечали бы заданным требовани-
ям выполнения производственной программы с наимень-
шими затратами труда, материалов, рациональным исполь-
зованием оборудования и т. д.
5.1. Основы технико-экономического обоснования
приоритетных направлений технического
перевооружения
и реконструкции заготовительного производства
В связи с перестройкой хозяйственного механизма, сущ-
ность которой заключается в расширении прав и самостоя-
тельности предприятий, важнейшими задачами их произ-
296
водственно-хозяйственной деятельности являются, с одной
стороны, достижение поставленных социально-экономичес-
ких целей развития, с другой — рациональное и эффектив-
ное использование материальных, трудовых и финансовых
ресурсов. Для решения данных задач требуется комплекс-
ное обоснование стратегии развития предприятия, обновле-
ния его основных фондов. Это относится также и к заготови-
тельному производству.
В основу такого обоснования для определения направле-
ний развития заготовительного производства заложены эле-
менты противозатратного механизма и программно-целево-
го подхода.
В настоящем параграфе рассмотрены основные поло-
жения, связанные с определением приоритетных направ-
лений технического перевооружения и реконструкции заго-
товительного производства. При этом основной упор сделан
на решение этой задачи с использованием вычислительной
техники.
Рассматриваются:
• состав и назначение основных подсистем;
• методические подходы к определению объемов произ-
водства и резервов производственных мощностей;
• методические подходы и принципы планирования и оцен-
ки эффективности технического перевооружения и реконст-
рукции заготовительного производства;
• методические рекомендации по планированию и оцен-
ке эффективности технического перевооружения и рекон-
струкции заготовительного производства.
В основу дальнейшей практической реализации указан-
ных методических рекомендаций положены следующие
принципы:
• обеспечение стратегии внедрения новой техники и об-
новления основных фондов заготовительного производства
как долговременной ориентации технической политики пред-
приятия на поддержание высокого технического уровня дей-
ствующего парка машин и оборудования заготовительного
производства для реализации перспективных целей разви-
тия предприятия;
• обновление основных фондов заготовительного произ-
водства путем разработки и реализации комплексов меро-
приятий по модернизации, замене действующих машин и
оборудования, ввода новой техники посредством техничес-
кого перевооружения и реконструкции конкретных цехов,
участков, рабочих мест;
297
• обновление заготовительного производства в тесной вза-
имосвязи с целями развития основного производства и обес-
печением политики ресурсосбережения;
• обоснование и отбор научно-технических мероприятий
по обновлению производства на основе нормативов эффек-
тивности технического перевооружения и реконструкции и
нормативов удельных капитальных вложений;
• комплексный характер обновления заготовительного про-
изводства, внедрение техники, технологии и форм организа-
ции производства, отвечающих лучшим отечественным и
зарубежным образцам.
Система определения приоритетных направлений техни-
ческого перевооружения и реконструкции заготовительно-
го производства (в дальнейшем СПНТПиР) представляет
сложную структуру, которая основана на взаимодействии
различных подсистем, объединенных единой информаци-
онной базой. В зависимости от решаемых внутри подсистем
задач объем, состав и структура данных будут различны-
ми. Вопросы организации ведения базы данных, физичес-
кого расположения ее (центральная или локальные базы
данных), определение средств управления базой данных
(СУБД) здесь не рассматриваются, так как они являются
предметом отдельного исследования.
Структурно СПНТПиР состоит из следующих основных
подсистем:
• подсистемы управления базой данных;
• подсистемы определения альтернативных вариантов про-
изводства заготовок для номенклатуры деталей заготови-
тельного производства;
• подсистемы определения технико-экономических пока-
зателей альтернативных вариантов производства заготовок;
• подсистемы определения технико-экономического уров-
ня технологий, оборудования, производства;
• подсистемы формирования объемов производства заго-
товок по способам их получения;
• подсистемы определения производственных мощностей
и их резервов;
• подсистемы формирования мероприятий технического
перевооружения и реконструкции;
• подсистемы экономической оценки комплекса мероп-
риятий по техническому перевооружению и реконструкции
производства;
• подсистемы вывода результатов анализа и формирова-
ния выходных документов.
298
Рис. 5.1. Структура автоматизированной системы определения приори-
тетных направлений развития заготовительного производства
На рис.5.1 представлена общая структура автоматизиро-
ванной системы определения приоритетных направлений
развития заготовительного производства.
Подсистема управления базой данных. Подсистема пред-
назначена для ведения и поддержания информационных
массивов. Конкретизация типа СУБД решается на стадии
разработки технического задания на систему. Структура и
состав информационных массивов будут рассмотрены ниже.
Подсистема определения альтернативных вариантов про-
изводства заготовок для номенклатуры деталей заготови-
тельного производства. Подсистема предназначена для про-
ведения технического анализа и выявления возможных спо-
собов получения заготовок для детали, обеспечивающих ка-
чество не хуже заданного.
Исходная информация: идентификатор —
номер чертежа детали.
299
Исходные данные:
• масса детали;
• габаритные размеры детали;
• марка материала детали;
• тип материала детали;
• конфигурация детали;
• технические требования.
Выходная информация: идентификатор —
номер чертежа детали.
Выходные данные:
• перечень альтернативных способов получения заготов-
ки для детали;
• уровень достигаемого качества.
Кратко методика проведения анализа заключается в сле-
дующем. Для каждого способа получения заготовки опреде-
ляется область его существования по основным параметрам:
• допустимой массе;
• допустимым габаритным размерам;
• достигаемому качеству и т. д.
Поскольку границы применения конкретного способа
по конкретному параметру четко определить невозможно,
поэтому область существования целесообразно разбить на
нечетко определенные зоны. Например, литьем по выплав-
ляемым моделям могут быть получены отливки массой
до 100 кг. Однако это не значит, что отливку массой 101 кг
этим способом литья получить невозможно. С другой сторо-
ны, отливку 0,0001 кг, видимо, получить весьма затрудни-
тельно. Как указывалось ранее, оптимальной областью для
этого способа является развес отливок от 0,2 до 12 кг.
В нечетких понятиях область существования способа по ка-
кому-либо показателю может быть определена следующим об-
разом. Вводятся лингвистические переменные, например:
• применять способ запрещается;
• применять способ допускается;
• применение способа оптимально.
В этом случае вся область существования способа по по-
казателю разбивается на зоны, определенные этими линг-
вистическими переменными. Графически это выглядит так,
как показано на рис. 5.2.
Вводится также понятие меры принадлежности к линг-
вистической переменной, которая изменяется в диапазоне
[0, 1] (значение ц). Если, например, задана масса отливки,
то можно сказать, что:
• данный способ допускается применять с Ц2>’
300
• данный способ попадает
в оптимальную область с ц3.
То есть оценка возможнос-
ти применения способа по дан-
ному показателю дается более
«мягкая», неоднозначная, что
больше отвечает человеческой
логике поведения и принятия
решений.
Таким образом, могут быть
определены значения функ-
ции принадлежности к линг-
Рис. 5.2. Область существования
способа по показателю «масса за-
готовки» с зонами, определенны-
ми лингвистической переменной:
1,5 — зоны, где применение способа
запрещается; 3 — зона оптимального
применения способа; 2, 4 — зоны, где
применение способа допускается
вистическим переменным по
каждому анализируемому по-
казателю, т. е. ц [i, j], где i —
индекс показателя; j — ин-
декс зоны.
Общая оценка возможнос-
ти применения того или иного способа получения заготов-
ки для данной детали определится следующим образом:
i=N
(5.1)
21 Ну
/=1 /=1
• применение способа запрещается с цзап = Hi + Ц5;
• применение способа допускается с цдоп = ц2 + Нд!
• оптимальное применение способа с цопт = ц3.
Вывод о применимости способа делается по максималь-
ному значению цтах — (Нзап’ М-доп’ Нопт}*
Преимущество этой методики заключается также в том,
что на основании полученной информации всегда можно
проанализировать, почему ответ именно такой, т. е. опреде-
лить причины возможности или невозможности использо-
вания того или иного способа получения заготовки.
Подсистема может быть без особого труда преобразована
в самообучаемую за счет введения особого режима работы
с экспертом.
В таком виде подсистема может функционировать само-
стоятельно.
Подсистема определения технико-экономических пока-
зателей (ТЭП) альтернативных вариантов производства за-
готовок. Подсистема предназначена для подготовки исход-
301
ной информации для работы всех последующих подсистем.
На рис. 5.3 представлена структура подсистемы экономи-
ческого анализа технологий производства заготовок.
В рамках работы подсистемы должны предусматривать-
ся следующие возможности:
• расчет ТЭП вариантов получения заготовок для дета-
лей по данным производства (аналоговые и статистические
расчеты);
• расчет ТЭП вариантов получения заготовок для дета-
лей по среднестатистическим показателям;
Рис. 5.3. Структура системы экономического анализа технологий произ-
водства заготовок
302
• расчет ТЭП вариантов получения заготовок для дета-
лей по нормативам (аналитические зависимости) с опреде-
лением всех статей затрат себестоимости.
В зависимости от класса задач, решаемых системой, ис-
пользуются значения ТЭП, рассчитанные тем или иным об-
разом.
Исходная информация для подсистемы:
идентификатор — номер чертежа детали.
Исходные данные:
• описание производства (информационные массивы: де-
таль, технология, оборудование, материалы, нормативы
предприятия);
• нормативно-справочная информация (прейскуранты);
• описание детали;
• перечень альтернативных способов получения заготовок.
Выходные данные:
• перечень альтернативных способов получения заготовок;
• ТЭП по каждому варианту.
В основу работы подсистемы положены следующие мето-
дики.
Методика аналоговых расчетов состоит в следующем. По
исходным данным о детали определяются:
• тип производства (единичный, мелкосерийный, серий-
ный, крупносерийный, массовый);
• принадлежность детали к группам сложности по каж-
дому альтернативному варианту;
• класс точности по каждому альтернативному варианту.
Используя эту информацию, из базы данных выбирают
все детали (по альтернативным вариантам), удовлетворяю-
щие условиям:
тип материала (НД) = тип материала (ДБД);
тип производства (НД) = тип производства (ДБД);
группа сложности (НД) = группа сложности (ДБД);
класс точности (НД) = класс точности (ДБД),
где НД — новая деталь; ДБД — деталь, поиск которой осу-
ществляется в базе данных.
Далее определение ТЭТТцд сводится к определению сред-
него от ТЭПдбд, т. е.
1 i=N
ТЭПпх = — ХТЭЛдвд ± ДТЭПдвд; (5.2)
303
f «
ЛТЭПдвд = t (ГЭЛнд - гапдвд, )2 , (5.3)
где ДТЭТТдбд — среднеквадратичное отклонение.
Методика статистических расчетов по описанию произ-
водства включает известную методику корреляционного
анализа для выявления формы и степени тесноты связи
зависимой переменной с независимыми.
В качестве независимых переменных используются:
• объем выпуска деталей, тыс. шт./год;
• масса детали, кг;
• группа сложности заготовки;
• класс точности заготовки;
• группа сложности по механообработке;
• коэффициент использования металла;
• коэффициент весовой точности.
Последние два показателя имеют двоякое значение:
• как зависимые переменные;
• как независимые переменные для определения показа-
телей трудоемкости и себестоимости.
Статистический анализ проводится по данным о деталях,
заготовки для которых получают одним и тем же способом
из одного и того же типа материала (чугун, сталь углеродис-
тая, сталь легированная, сплавы на основе алюминия и т. п.).
Возможность иной градации материалов не исключена.
Расчет ТЭП вариантов получения заготовок для деталей
по нормативам предусматривает определение технологичес-
кой себестоимости получения заготовок, включая опреде-
ление основных ее составляющих:
• затрат на основные материалы;
• затрат на заработную плату;
• затрат на инструмент и оснастку;
• затрат на содержание и эксплуатацию оборудования;
• затрат на энергию.
В зависимости от полноты и достоверности исходной ин-
формации предусматривается определение интервала зна-
чений себестоимости (Ст|П, Стах), которые обусловлены ука-
занными факторами. При полной и достоверной информа-
ции Cmin = Cmax.
Таким образом, подсистема определения ТЭП альтерна-
тивных вариантов обеспечит расчет ТЭП для способов полу-
чения заготовок, не только освоенных на предприятии, но
и предполагаемых к освоению, что дает возможность ана-
304
лизировать варианты внедрения новых, более прогрессив-
ных технологий.
Подсистема формирования объемов производства заго-
товок по способам их получения. На рис. 5.4 представлена
блок-схема формирования объемов производства заготовок
по способам их получения.
В основу подсистемы положена методика «Выбор спосо-
ба получения заготовки», изложенная ранее.
Исходная информация: идентификатор —
номер чертежа детали.
Входные данные:
• перечень альтернативных вариантов получения заготовок;
ТЭП получения заготовок по каждому варианту.
Выходные данные:
• объемы производства заготовок по каждому способу их
получения;
Рис. 5.4. Блок-схема формирования объемов производства заготовок
по способам их получения
305
• коэффициент применимости альтернативного способа
получения заготовки для детали.
Целесообразность применения каждого из альтернатив-
ных способов получения заготовки определяется при помо-
щи комплексного критерия, учитывающего влияние всех
ТЭП, включенных в анализ.
Первоначально для каждого из вариантов по каждому
показателю определяются приоритеты (Р;;-, где i — номер
альтернативного способа; j — номер показателя), характе-
ризующие степень целесообразности использования вари-
анта по конкретному показателю.
Далее полученные приоритеты используются для опре-
деления комплексного критерия применимости (КП) вари-
анта в конкретных условиях.
Как указывалось ранее, методика выбора рационального
варианта предусматривает возможность использования ис-
ходной информации, заданной как в точных, так и в неточ-
ных (нечетких) значениях.
Объемы производства заготовок по каждому способу их
получения (Q,) формируются путем перераспределения де-
талей по способам, для которых комплексный критерий
максимален, тогда
j=N j-N
Qi = iMgjHpjnpj <кг)’ или Qi = X лр/ (шт>), (5.4)
/=1 7=1
где Mgj — масса детали у-го наименования; — норма
расхода для детали у-го наименования, 7Тр; — объем выпус-
ка деталей у-го наименования.
Подсистема определения резервов и мощностей произ-
водства заготовок. Подсистема предназначена для опреде-
ления мощностей производства заготовок, объектов, объ-
емов и эффективности модернизации, замены действующе-
го оборудования и дополнительного ввода новой техники.
Исходная информация: — идентификатор —
способ получения заготовки.
Входные данные: см. табл. 5.1.
Выходные данные: см. табл. 5.2.
Конкретная реализация стратегии обновления заготови-
тельного производства заключается в перспективном пла-
нировании объектов, объемов и эффективности модерниза-
ции, замены действующего оборудования и дополнительно-
го ввода новой техники.
306
Таблица 5.1
Входная информация для подсистемы
«Расчет резервов производственных мощностей
заготовительного производства»
Показатель Обозначение Едини- ца изме- рения Источник информа- ции
Номенклатура заготовок По видам — Исходная информа- ция для расчета или опре- деления реквизита берется из базы дан- ных
Объем выпуска заготовок тыс. руб. п
Прирост объемов выпуска заготовок тыс. руб. (нат. ед.) \п
Количество действующего технологи- ческого оборудования шт.
Количество наличного установленного и не установленного оборудования Na
Общее количество установленного обо- рудования N
Эффективный фонд времени работы парка технологического оборудования тыс. ч Фэ
Календарный фонд времени за расчет- ный период фк
Время фактической работы парка тех- нологического оборудования ф
Фактический объем выпуска продук- ции в единицу времени тыс. руб., (нат. ед.)/ч Пф
Выработка продукции по норме пп
Станко(машино)-емкость годовой про- изводственной программы по парку i-й группы (виду) технологического оборудования ч /тыс. руб. (нат. ед.) Расчет
Прирост фонда времени работы z-й группы технологического оборудова- ния за счет сокращения сверхплано- вых простоев во внеплановых и ава- рийных ремонтах в результате заме- ны равноценной техникой ч Дф9
Прирост фонда времени работы i-й группы технологического оборудова- ния в результате активного обновле- ния принципиально новой техникой ДфЗ
307
Таблица 5.2
Выходная информация подсистемы
«Расчет резервов производственных мощностей
заготовительного производства»
Прирост объема выпуска заготовок, тыс. руб. (натур, ед.) Обозначение
За счет использования резервов наращивания мощностей действующего парка ДЛ\
За счет интенсификации использования действующего парка АЛ2
За счет частичной модернизации и простой замены оборудования ДЛ3
За счет замены оборудования принципиально новой техникой ДП4
За счет расширения парка оборудования дл5
Объектами обновления являются рабочие места, маши-
ны, станки, установки, агрегаты, автоматические линии,
группы, виды оборудования и т. д. или их системы в виде
технологий, цехов, участков и т. п.
Выбор объектов обновления зависит от многих факторов,
главным образом от технологического уровня действующего
парка оборудования, оценка которого выполняется в увязке
с требованиями к качеству, ассортименту и объемам выпус-
каемых заготовок.
В основе выбора объектов обновления лежит деление дей-
ствующего парка оборудования на группы в зависимости от
прогрессивности, возраста, степени морального и физичес-
кого износа и возможностей его устранения.
К первой группе относятся современные модели машин
и оборудования в возрасте до 10 лет, которые не подверга-
лись моральному износу второй формы. Эти машины и обо-
рудование имеют нормальный физический износ, и эффек-
тивным средством дальнейшей их эксплуатации является
первый капитальный ремонт.
Вторую группу составляют машины и оборудование в воз-
расте от 10 до 20 лет, которые подвергались частичному мо-
ральному износу, устраняемому путем комплексной модер-
низации в процессе капитального ремонта. Эти машины и
оборудование имеют повышенный физический износ, и оче-
редной (второй или третий) капитальный ремонт для них
нерационален. Условием дальнейшей эксплуатации таких
машин и оборудования является комплексная модернизация
в процессе капитального ремонта.
308
В третью группу входят машины и оборудование в возра-
сте свыше 20 лет, имеющие полный моральный и физичес-
кий износ, который не устраняется полностью путем капи-
тального ремонта. Проведение очередного (третьего и т. д.)
капитального ремонта экономически не оправдывается.
Машины и оборудование этой группы подлежат замене.
Деление парка машин и оборудования на три группы
в зависимости от степени их морального и физического из-
носа позволяет определить следующие варианты обновле-
ния парка технологического оборудования в зависимости
от его технического уровня.
Первая группа машин и оборудования должна капиталь-
но ремонтироваться, т. е.:
• может пройти технологическую модернизацию в про-
цессе капитального ремонта в целях изменения технологи-
ческого назначения оборудования;
• может быть заменена принципиально новой или совре-
менной техникой в связи с изменением технологии произ-
водства;
• может пополняться принципиально новой техникой в це-
лях расширения парка технологического оборудования.
Вторая группа машин и оборудования:
• может пройти комплексную модернизацию в процессе
капитального ремонта с учетом технической возможности,
производственной необходимости и экономической эффек-
тивности;
• может быть заменена современной техникой, если час-
тичный моральный износ не устраняется путем комплекс-
ной модернизации;
• может быть заменена принципиально новой техникой
в связи с изменением технологии производства.
Третья группа машин и оборудования должна быть заме-
нена принципиально новой техникой.
Для конкретизации объектов обновления необходимо так-
же проанализировать пропорциональность групп (видов)
оборудования по таким основным качественным показате-
лям, как точность, производительность, уровень брака, эко-
логичность и т. п.
Цель анализа — выявление слабых звеньев в техноло-
гической цепи производства продукции, которые лимити-
руют:
• увеличение объема выпуска продукции;
• повышение качества продукции;
• улучшение условий труда и охраны окружающей среды;
309
• рациональное использование ресурсов;
• повышение эффективности производства.
Коэффициенты пропорциональности парка i-й группы
(вида) технологического оборудования по у-му показателю
качества техники рассчитываются по формуле
Пи
(5.5)
11 ij min
где Пу, TTymin — показатели качества групп (видов) техно-
логического оборудования i-й группы (вида) и минималь-
ное значение j-го показателя качества техники (производи-
тельность, точность и т.п.).
В результате определяются группы с максимальным зна-
чением показателей по всей технологической цепи производ-
ства продукции. Численные значения коэффициентов про-
порциональности, полученные на основе сравнения показа-
телей i-й группы со значениями показателей лимитирующей
группы, позволяют определить очередность обновления групп
(видов) оборудования в условиях ограниченности ресурсов.
По результатам анализа производственных мощностей
определяются резервы их наращивания за счет улучшения
использования парка технологического оборудования:
• прирост мощности действующего парка технологического
оборудования за счет повышения коэффициентов использо-
вания парка наличного технологического оборудования
ДЙГН 0, использования парка установленного технологичес-
кого оборудования ЛХус, использования календарного фон-
да времени ДЙГф и сменности работы парка технологическо-
го оборудования АКС1Л;
• улучшение использования мощности действующего пар-
ка технологического оборудования за счет повышения ко-
эффициентов экстенсивной &КЭ и интенсивной АКИН его за-
грузки.
С учетом повышения этих коэффициентов планируемый
прирост продукции составит:
• за счет использования резервов наращивания мощности
действующего парка технологического оборудования:
Д^Н. о = Д^н. о Д^усД^фД^см> (5.6)
за счет использования резервов интенсификации действу-
ющего парка технологического оборудования:
ДПН_О=Д^ЭД^ИН. (5.7)
310
При увеличении планируемых объемов выпуска загото-
вок для обоснования вариантов обновления заготовитель-
ного производства рассчитывается планируемый прирост
объемов производства заготовок в результате реализации
всех видов обновления:
ДП = Д/7| + Д/Т2 Д^З > (^-8)
где A/Ti — прирост объемов производства заготовок за счет
пассивного обновления равноценной замены Д/lf и частич-
ной модернизации ДПм1; Д/Т2 — прирост объемов производ-
ства заготовок за счет активного обновления: замены действу-
ющего оборудования принципиально новой техникой ДП2н т
и комплексной модернизации ДП2к м; М13 — прирост объ-
емов производства заготовок за счет расширения парка обору-
дования путем ввода принципиально новой техники.
Планируемый прирост объемов производства заготовок
за счет пассивного обновления оборудования путем равно-
ценной замены определяется следующим образом:
Mi
ДЛ1 =ппп{дП13/}
(5.9)
где Mi — станко (машино)-емкость годового производствен-
ного объема выпуска по парку i-й группы (виду) оборудова-
ния; ДФ^1 — прирост фонда времени работы парка i-й груп-
пы (вида) оборудования за счет сокращения сверхплановых
простоев техники во внеплановых и аварийных ремонтах
в результате замены равноценной техникой физически из-
ношенных машин и оборудования.
Аналогично рассчитывается прирост объемов производ-
ства заготовок за счет пассивного обновления путем час-
тичной модернизации, направленной на повышение надеж-
ности и долговечности оборудования.
Планируемый прирост объемов производства заготовок
за счет активного обновления путем замены оборудования
принципиально новой техникой определяется по формулам:
ДП»т/
4^
ДП”Т
А
дфГт/
_ •
Mi ’
= шт{дП2 TI},
(5.10)
311
где ДФ2>тг — прирост фонда времени работы i-й группы
(вида) оборудования в результате замены принципиально
новой техникой.
По такой же формуле рассчитывается прирост продук-
ции за счет повышения производительности парка i-й груп-
пы (вида) оборудования в результате комплексной модер-
низации в целях устранения морального износа действую-
щей техники второй формы.
Планируемый прирост объемов производства заготовок
за счет расширения парка оборудования путем ввода прин-
ципиально новой техники определяется по формуле
ДЛр =Д77-(ДП1 + ДП2)- (5.11)
В том случае, если планируется снижение объемов вы-
пуска определенных видов заготовок, то определяется соот-
ветствующее уменьшение фонда работы используемых групп
оборудования и рассматривается вопрос либо о ликвидации
лишних мощностей, либо об их дополнительной загрузке
выполнением других видов работ.
Результатом указанных расчетов является определение кон-
кретных объектов обновления в заготовительном производстве
в виде групп (типов) оборудования, установок, агрегатов, ав-
томатических линий, а также их систем, подлежащих:
• частичной модернизации — равноценной замене;
• комплексной модернизации — замене принципиально
новой техникой.
Определяется также потребность в расширении парка
оборудования за счет ввода принципиально новой техники,
а также в ликвидации конкретных объектов.
Для реализации полученной структуры обновления пар-
ка оборудования заготовительного производства разрабаты-
ваются различные варианты комплексов мероприятий по
капитальному ремонту оборудования, его модернизации,
замене, внедрении новой техники и технологий, а также
определяются соответствующие варианты технического пе-
ревооружения, реконструкции и расширения как заготови-
тельного производства в целом, так и его отдельных цехов,
участков, рабочих мест и т. п.
По каждому варианту выполняются в установленном
порядке расчеты по его технико-экономическому обоснова-
нию: указываются основные планируемые характеристики
заданий и мероприятий, необходимые капитальные вложе-
ния (в том числе на оборудование), а также предполагае-
312
мые результаты: прирост продукции (услуг), снижение се-
бестоимости заготовок, экономия ресурсов и т. п.
Полученные варианты обновления действующего парка
оборудования оцениваются также с позиций комплекснос-
ти и приоритетности решаемых задач (увеличение выпуска
продукции, снижение ресурсоемкости продукции, сокраще-
ние числа рабочих, занятых ручным трудом), экономичес-
кой и социальной эффективности.
В результате формируется перечень мероприятий и объек-
тов обновления, который включает все возможные меро-
приятия по повышению технического уровня парка действу-
ющего оборудования с расчетными данными по каждому
мероприятию и объекту обновления:
• о приросте продукции;
• улучшения ее качества;
• удельных капитальных вложениях и экономическом эф-
фекте;
• ресурсоемкости продукции;
• уменьшении числа рабочих, занятых ручным трудом,
и т. д.
Указанные мероприятия группируются следующим образом.
1. Совершенствование технологической структуры парка
оборудования (ликвидация излишнего оборудования, ввод
в действие неустановленного оборудования, мероприятия по
устранению несопряженности парка оборудования по мощ-
ности, по пропускной способности, по конструктивно-техно-
логическим параметрам).
2. Улучшение структуры и уровня использования парка
оборудования (эксплуатация неустановленного оборудова-
ния, улучшение использования бездействующего, действу-
ющего, несопряженного, лимитирующего оборудования,
повышение коэффициента сменности парка оборудования,
сокращение простоев в плановых, неплановых и аварий-
ных ремонтах).
3. Повышение технического уровня парка оборудования
(комплексная модернизация, замена морально устаревшего
оборудования, внедрение новой техники и технологий).
4. Мероприятия по охране труда и окружающей среды.
Очередность включения мероприятий в планы определяет-
ся в зависимости от важности и приоритетности решаемых
с их помощью задач.
При этом из перечня мероприятий формируют комплекс,
который обеспечивает взаимоувязанную реализацию постав-
ленных производственных, экономических и социально-эко-
313
комических задач при лучшем соотношении показателей
эффективности по сравнению с другими мероприятиями.
В том случае, если одна из задач является приоритетной,
то из перечня выбираются, прежде всего, те мероприятия и
объекты обновления, которые обеспечивают наилучшее ре-
шение этой задачи. Выбор производится по приоритетному
(критериальному) показателю.
Если, например, критерием является прирост продукции,
то соответствующий комплекс мероприятий формируется
как группа первоочередных мероприятий по внедрению но-
вой техники, обеспечивающих наибольший прирост продук-
ции при наименьшей ее ресурсоемкости (капиталоемкости,
материалоемкости, трудоемкости), т. е. при минимальных
удельных затратах на единицу полезного эффекта.
Подсистема формирования мероприятий технического
перевооружения и реконструкции. Подсистема предназна-
чена для формирования мероприятий плана технического
перевооружения и реконструкции заготовительного произ-
водства в зависимости от целей экономического анализа.
Из-за ограниченности объема данной книги здесь изложе-
ны только принципиальные положения по формализации
знаний и разработке рабочих алгоритмов. Детальная прора-
ботка этой подсистемы требует дополнительных затрат и
может быть выполнена при конкретизации целей экономи-
ческого анализа.
Цели развития заготовительного производства определя-
ются особенностями и уровнем его технического развития,
конъюнктурой спроса на изготовляемую предприятием про-
дукцию, а также социальными и экономическими пробле-
мами производства. При этом целесообразно учитывать сле-
дующие экономические условия.
1. Если технический уровень, качество и конкурентоспо-
собность выпускаемой продукции высокие, а спрос на про-
дукцию не удовлетворяется полностью, то техническое пе-
реоснащение направлено на увеличение выпуска продук-
ции без изменения ее качества. При удовлетворении спроса
на продукцию техническое переоснащение может быть на-
правлено на сокращение текущих издержек производства
при сохранении исходного объема производимой продук-
ции. Техническое переоснащение может осуществляться в
целях увеличения объема производства при снижении се-
бестоимости выпускаемой продукции.
2. Если технический уровень, качество к конкурентоспо-
собность продукции недостаточны, то при наличии устой-
314
чивой потребности в ней необходимо проведение техниче-
ского перевооружения в целях резкого повышения техни-
ческого уровня выпускаемой продукции, доведения ее до
уровня лучших мировых образцов, увеличения доли вы-
пуска конкурентоспособной продукции.
3. Если выпускаемая продукция устарела и отсутствует
потребность в ней (на внутреннем и внешнем рынках), то
такая продукция должна быть снята с производства. В этом
случае техническое переоснащение необходимо проводить
в целях замены устаревшей продукции и выпуска новых
прогрессивных ее видов.
Способы задания целей могут быть различными: от про-
стого их перечня до построения графа (дерева) целей с ха-
рактеристиками их приоритетов. Цели должны иметь кон-
кретные формулировки и количественные характеристики,
по которым можно будет судить о степени их достижения.
Граф (дерево) целей строится как сложная иерархическая
структура, в которой по мере перехода от верхних уровней
управления к нижним уровням социальные цели сменяются
социально-экономическими, экономическими, технико-эко-
номическими, техническими. При этом цели нижнего уров-
ня являются способом достижения целей высшего уровня.
Сформулированные цели развития на каждом уровне
управления служат исходной предпосылкой для определе-
ния варианта, обеспечивающего достижение поставленных
целей в виде соответствующих заданий и комплексов ме-
роприятий по техническому переоснащению действующего
производства. Показатели конечных результатов и эффек-
тивности комплексов мероприятий по техническому пере-
оснащению характеризуют одновременно и достижение по-
ставленных целей.
Каждый альтернативный вариант развития пропускает-
ся через фильтр различных ограничений (ресурсных, юри-
дических, социальных, морально-этических и др.), в резуль-
тате чего производятся отсев неудовлетворительного вари-
анта и переход к формированию нового.
По допустимым вариантам проводится детальный ана-
лиз с точки зрения достижения поставленных целей, за-
трат ресурсов, соответствия конкретным условиям их реа-
лизации, эффективности капитальных вложений.
При решении сложных задач на основе одних количе-
ственных расчетов зачастую трудно выработать однознач-
ное решение о предпочтении варианта, в этом случае для
учета дополнительных фактов и качественных показателей
315
должны привлекаться специалисты, владеющие опытом и
методами анализа, для принятия окончательного решения.
Формирование вариантов развития носит итерационный
характер, т. е. организуется повторяющийся цикл по измене-
нию в допустимых пределах сформулированных целей, раз-
работке путей их достижения, оценке их эффективности, уточ-
нению конечных целей, разработке новых вариантов и т. д.
Возврат возможен с любого этапа подготовки, принятия
и реализации решения.
Для конкретизации каждой цели развития предприятия
разрабатываются соответствующие комплексы задач:
• по увеличению объема производства продукции и обес-
печению прироста производственных мощностей;
• перепрофилированию производства на выпуск новой
перспективной продукции;
• повышению качества продукции;
• экономии материальных, топливно-энергетических ре-
сурсов и утилизации отходов;
• повышению уровня организации производства, труда и
управления;
• улучшению и обеспечению условий труда, обеспечению
охраны окружающей среды и рационального природополь-
зования.
Цели развития заготовительного производства формируют-
ся путем декомпозиции целей развития предприятия и опре-
деляются соответственно необходимостью решения задач:
• изменения объемов выпуска заготовок;
• повышения их качества, совершенствования номенкла-
туры;
• повышения эффективности производства и снижения
ресурсоемкости заготовок;
• сокращения затрат труда, особенно тяжелого ручного
труда, улучшения условий труда;
• реализации природоохранных мероприятий.
Работа данной подсистемы строится на основе анализа вы-
полнения логических правил, которые определяют общую цель,
поставленную перед проведением анализа. Для формирования
логических правил необходимо определить лингвистические
переменные, значения которых в нечетких множествах долж-
ны быть определены на основе работы предыдущих подсис-
тем. К таким переменным относятся, например:
ТУПД — технический уровень продукции;
ТУПР — технический уровень производства;
КАПД — качество продукции;
316
КОПД — конкурентоспособность продукции;
ПТПР — план технического перевооружения и реконст-
рукции;
ПРПР — прибыль производства;
МТПР — мероприятие технического перевооружения и
реконструкции;
ОВПД — объем выпуска продукции;
СППД — спрос продукции на рынке;
ТЕИЗ — текущие издержки;
СБПД — себестоимость продукции;
ВНПД — выпуск новой продукции;
Цель — цель;
Объем (i) — объем производства заготовок (i = 1, А);
Мощность (i) — мощность производства заготовок;
N — количество способов получения заготовок и т. д. и т. п.
В результате работы предыдущих подсистем должны быть
определены значения принадлежности лингвистических пе-
ременных к лингвистическим переменным, например:
Вы — Высокий;
Бо — Большой;
Уд — Удовлетворен;
До — Достигнуто;
Ув — Увеличить;
Со — Сократить и т. д.
Таким образом, лингвистические правила могут быть
сформулированы в следующем виде.
Если: Объем [i = 1, ..., N] = Мощность [i = 1, ...» А] и ТУПД =
= Вы и КАПД = Вы и КОПД = Вы и СППД < Уд, то: ПТПР =
= шах (ОВПД) МТПР = Ув (Мощность [г = 1 - АГ]).
Если: Объем [г = 1,..., N] = Мощность [i = 1,..., А] и ТУПД =
= Вы и КАПД = Вы и КОПД = Вы и СППД = Уд, то: ПТПР =
= min (ТЕИЗ) + max (ПРПР) МТПР = СО (металл, энергия,
трудозатраты и т. д.)
Если: Объем [i = 1,..., k - 1, k + 1,..., А] = Мощность [i = 1, ...
..., k - 1, k + 1, ..., А] и Объем [/?] > Мощность [fe] и ТУПД =
= Вы и КАПД = Вы и КОПД = Вы и СППД = Уд, то: ПТПР =
= Ув (Мощность [&]) МТПР = Ув (коэффициент сменности
оборудования) или МТПР = Со (простои на переналадку)
или МТПР = Ув (количество оборудования) или если (име-
ются невведенные мощности), то (ввести их), или если
(средств недостаточно, или площадей недостаточно), то (пе-
редать на кооперацию).
Приведенные в качестве примера логические правила
позволяют осуществить необходимую проверку и в зависи-
317
мости от полученного результата выдать необходимое ре-
шение (мероприятие плана технического перевооружения
и реконструкции). В процессе работы подсистемы осуще-
ствляется подбор мероприятий и тем самым формирование
плана технического перевооружения и реконструкции.
Мероприятия, включаемые в ПТПР, могут носить:
• оперативный характер (ввод в действие неустановлен-
ного оборудования, увеличение коэффициента сменности обо-
рудования и т. п.);
• прогнозный характер (увеличение мощности за счет вве-
дения дополнительного оборудования, снижение затрат за
счет снижения расхода металла, экономии энергии и т. п.).
Мероприятия оперативного характера, как правило, не
требуют существенных капитальных вложений и времени
на их реализацию, в то время как мероприятия прогнозно-
го характера могут потребовать значительных издержек как
финансовых, так и временных (например, на проведение
научно-исследовательских работ).
Результатом работы подсистемы является перечень ме-
роприятий, обеспечивающих достижение поставленных це-
лей, и их основных характеристик (требуемые площади,
трудовые и материальные ресурсы и т. п.).
Подсистема экономической оценки комплекса мероприя-
тий по техническому перевооружению и реконструкции про-
изводства. Подсистема предназначена для определения ком-
плексной экономической оценки сформированного ПТПР.
Исходные данные:
Входные данные: см. табл. 5.3, 5.4.
Выходные данные: см. табл. 5.5, 5.6.
При техническом перевооружении и реконструкции заго-
товительного производства, осуществляемом на основе вне-
дрения новой техники и технологий, ресурсосберегающих
процессов получения заготовок, механизации и автоматиза-
ции производства, замены морально устаревшего и физиче-
ски изношенного оборудования более эффективным, учиты-
ваются требования к рациональному выбору заготовок, уров-
ню их технологичности, в значительной степени определяю-
щей затраты на технологическую подготовку производства,
себестоимость, надежность и долговечность изделий.
Для решения задач технического перевооружения заго-
товительного производства необходим комплексный анализ
технико-экономической эффективности возможных спосо-
бов получения заготовок с учетом конкретных факторов
действующего производства.
318
Необходимость, целесообразность и объемы внедрения
новой техники и технологий при техническом перевооруже-
нии заготовительного производства определяются решением
Таблица 5.3
Исходные данные для анализа показателей плана технического
перевооружения и реконструкции заготовительного производства
Показатель Обозна- чение Единица измерения
Объем выпуска заготовок Вз тыс. руб. (натур, ед.)
Вновь введенная мощность в результате техническо- го перевооружения мн
Выбывшая мощность в результате технического пе- ревооружения и реконструкции мв
Коэффициент использования производственной мощ- ности относ, ед.
Годовая выработка на одного работающего в базовом периоде Во руб. (натур. ед.)
Годовая выработка на одного работающего в плани- руемом периоде р
Затраты материальных (топливно-энергетических) ресурсов на единицу выпуска заготовок в базовом периоде См0 тыс. руб.
Затраты материальных (топливно-энергетических) ресурсов на единицу выпуска заготовок в планируе- мом периоде см
Себестоимость заготовки в базовом периоде Со руб.
Себестоимость новой заготовки в планируемом пе- риоде сн<
Себестоимость заменяемой заготовки в планируемом периоде С3(
Оптовая цена (без налога с оборота) заготовки в базо- вом периоде Цо
Оптовая цена (без налога с оборота) новых заготовок в планируемом периоде ц(
Оптовая цена (без налога с оборота) заменяемых за- готовок в базовом периоде По
Оптовая цена (без налога с оборота) заменяемых за- готовок в планируемом периоде Пи
Прирост объема выпуска заготовок в планируемом периоде за счет технического перевооружения про- изводства ЬВ3 натур. ед.
319
Таблица 5.4
Исходные данные для анализа ТЭУП
(технико-экономического уровня производства)
Показатель Обозна- чение Единица измерения
Объем выпуска продукции в тыс. руб.
Объем экспортных поставок Вэ
Объем выпускаемой продукции i-ro вида Вс
Объем продукции i-ro вида, необходимый для удов- летворения соответствующей потребности Ва
Объем продукции, аттестованной по высшей кате- гории качества Вв.к
Объем устаревшей продукции Ву.п
Объем выпуска заготовок В3 тыс. руб. (натур, ед.)
Среднегодовые основные промышленные произ- водственные фонды ф тыс. руб.
Фонд заработной платы Зр
Затраты материальных ресурсов С„
Объем выпуска продукции по прогрессивной тех- нологии Вп.т
Объем выпуска продукции по экологически чистой технологии Вэ.ч
Балансовая стоимость основных промышленных производственных фондов Фб
Стоимость морально устаревшего и изношенного оборудования ф *и.о
Балансовая стоимость прогрессивного оборудования Фб.п.о
Объем выпуска продукции на специализированных участках Вс.у
Стоимость прогрессивных видов материалов Сп м
Стоимость вторичных материалов Св.м
Среднесписочная численность работающих ¥ср чел.
Количество потребляемой электроэнергии э КВт/ч
задачи выбора наиболее эффективного способа получения
заготовки и результатами анализа исходного технико-эконо-
мического уровня заготовительного производства. При этом
предполагается разработка комплексов мероприятий по по-
вышению до современных требований технико-экономиче-
320
Таблица 5.5
Расчет показателей плана технического перевооружения
и реконструкции заготовительного производства
Показатель Единица измерения Расчетная формула
Прирост производственной мощно- сти за счет технического перево- оружения и реконструкции тыс. руб. (натур, ед.) == ~ Л^выб
Прирост выпуска заготовок за счет технического перевооружения 8ВП,3 = (QM - AMw)/100
Относительное высвобождение ра- ботающих чел. Эч = Вт/Р0 ~ В3/Рт
Экономия материальных и топлив- но-энергетических ресурсов тыс. руб. (натур, ед.) = (^м.о — ^м.т)-®з
Прирост прибыли без установления новой цены ДПт = (С0-Ст)В3 + + (До - Со) дв3 т
Изменения сортности продукции с установлением новой цены или с изменением сортности продукции ДПТ = (ЦТ-СТ)ВЭ.Т + + (Ц\ - Ст) вэ т + + (Ц'т ~ с'т) в'э0
Снижение себестоимости ~ «Ч) — СТ)В3_Т
Таблица 5.6
Расчет показателей ТЭУП
(технико-экономического уровня производства)
Показатель Единица измерения Расчетная формула
Удельный вес конкурентоспособности продукции % dK = Вэ/В
Коэффициент удовлетворения потреб- ности в продукции относ, ед. КУ
Удельный вес продукции, аттестованной по высшей категории качества % ^В.К = Вв.к/В
Удельный вес устаревшей продукции dy.n = Ву.п/В
Фондоемкость единицы продукции руб./руб. /п = Ф/В
Трудоемкость единицы продукции = Эр/в
Материалоемкость единицы продукции м = см/в
Удельный вес прогрессивных технологий % ^п.т = Вп.т/В
Удельный вес экологически чистой тех- нологии ^э.ч = Вэ.,/В
321
Продолжение табл. 5.6
Показатель Единица измерения Расчетная формула
Фондоотдача руб./руб. ¥ = В/Ф
Удельный вес морально устаревшего и физически изношенного оборудования % d„.o = Фи/Фб
Удельный вес прогрессивного оборудо- вания ^П.О = а О/Ф
Коэффициент специализации относ, ед. ^сп = ^сп.уч/й
Удельный вес прогрессивных материалов % ^П.М = ^П.м/^м
Производительность труда тыс. руб./чел. dn.r = -^/^ср
Фондовооруженность труда руб./чел. Фт = Ф/Чср
Удельный вес промышленно-производ- ственного персонала % ^п.п.п = ^п.п.п/^ср
Электровооруженность труда кВт/чел. Эф = Э/Чср
ского уровня заготовительного производства в целом или его
отдельных технологических процессов, звеньев, участков,
агрегатов.
На этой основе определяются показатели эффективности
для осуществления технического перевооружения и рекон-
струкции заготовительного производства.
5.2. Основы структурно-факторного анализа
технологического процесса
при выборе способа получения заготовки
В последние годы наиболее отчетливо выявилась задача,
решаемая технологическими службами предприятий, техно-
логических и научно-исследовательских институтов, заклю-
чающаяся в том, чтобы найти рациональный способ получе-
ния в заготовительной фазе готовой детали. В результате этого
интенсивно стали развиваться такие процессы малоотходной
технологии, как литье в кокиль, под давлением, по выплав-
ляемым моделям, безоблойная штамповка, многие способы
получения сварных и комбинированных заготовок.
Для подавляющего большинства процессов малоотходной
технологии получения заготовок характерна возможность
их экономически оправданного применения лишь при от-
носительно больших объемах выпуска продукции.
322
Такое положение возникает вследствие того, что сред-
ства и методы, которые зарекомендовали себя эффективны-
ми при больших объемах производства, без каких-либо из-
менений пытаются использовать для получения заготовок
в иных условиях, при более мелких сериях. В результате
этого способ, обеспечивающий получение точной заготов-
ки, оказывается неэффективным, а сама точная заготовка —
нерентабельной.
Представляется правомерным предположение, что спо-
соб, обеспечивающий получение точной, качественной за-
готовки, должен быть эффективным при любых сериях про-
изводства. Поэтому выбор способа получения заготовки дол-
жен базироваться не только на анализе достигнутых пока-
зателей, но и на анализе мероприятий, реализация которых
может способствовать улучшению технико-экономических
показателей, т. е. достижению максимальной эффективнос-
ти при обеспечении требуемого качества продукции.
В настоящее время материально-техническая база про-
мышленного производства деталей машиностроения позво-
ляет реализовать один и тот же способ получения заготовки
при различных технико-экономических условиях. Это дает
возможность путем варьирования составляющих техно-
логического процесса и средств его обеспечения получить
постоянство себестоимости заготовок независимо от объема
выпуска.
Так, изготовление болтов и заготовок для них может быть
осуществлено на различном оборудовании: кривошипных
прессах; винтовых прессах с дугостаторным или гидравли-
ческим приводом; кривошипных горячештамповочных прес-
сах; горизонтально-ковочных машинах со средствами авто-
матизации, механизации или без них; автоматических ли-
ниях. Нагрев под высадку может быть пламенный, индук-
ционный, электроконтактный, в защитной атмосфере или
без нее. Штамповую оснастку для высадки можно изгото-
вить из сталей различного химического состава, обладаю-
щих различной стойкостью и различающихся по стоимости
в несколько раз. Гравюра штампа также может быть полу-
чена различным образом: механической, электрохимиче-
ской, электрофизической обработкой; вдавливанием мастер-
пуансона; литьем и т. д.
Очевидно, что каждый тип оборудования, вид нагрева,
марка штамповой стали или способ изготовления гравюры
штампа оказывают влияние на экономические показатели.
Поэтому, применяя ту или иную комбинацию перечислен-
323
ных технологических факторов, обеспечивается постоянство
или, во всяком случае, незначительное изменение суммар-
ной статьи затрат при изменении объема выпуска, а следо-
вательно, и себестоимости заготовки.
Решение задачи выбора рационального сочетания техно-
логических факторов в зависимости от требуемого объема
выпуска может быть осуществлено в рамках структурно-
факторного анализа, основы которого будут изложены в на-
стоящем параграфе.
Представим зависимость себестоимости заготовки от раз-
личных технологических факторов в виде
О А
С3=М + ^ + ^, (5.12)
где С3 — себестоимость заготовки; М — стоимость основно-
го материала; О — затраты на изготовление и эксплуата-
цию оснастки; А — прочие затраты (заработная плата, за-
траты на эксплуатацию оборудования, топливо и т. п.); N —
объем выпуска заготовок.
Запись зависимости в виде выражения (5.12) обоснована
тем, что для одного и того же способа расход материала,
а следовательно, и его стоимость не зависят от объема вы-
пуска, в то время как остальные показатели меняются при
изменении программы. Кроме того, для большинства про-
цессов при определении эффективности их применения важ-
ное значение имеет доля затрат, связанная с изготовлением
и эксплуатацией оснастки.
Следует отметить, что при необходимости могут быть
выделены и другие статьи затрат, например заработная пла-
та, затраты на топливо, вспомогательные материалы, экс-
плуатацию оборудования и т. п.
Затраты на изготовление и эксплуатацию оснастки пред-
ставим в следующем виде:
О _Кш . (пС-7У)Дш
N С NC
(5.13)
где Цт — затраты на изготовление и эксплуатацию одного
комплекта оснастки; С — стойкость одного комплекта ос-
настки (число заготовок, полученное на одном комплекте
оснастки до полного ее износа); N — число комплектов ос-
настки, необходимое для выполнения заданного объема вы-
пуска заготовок; и — число комплектов оснастки с полнос-
тью использованным ресурсом.
324
Выражение (5.13) дает возможность выделить две состав-
ляющие: затраты на оснастку, ресурс работы которой ис-
пользуют полностью (первое слагаемое), и затраты на осна-
стку, ресурс работы которой используют частично (второе
слагаемое). Например, при стойкости штампа 5000 штам-
повок и объеме выпуска 21 000 штамповок необходимо пять
комплектов штампов, причем ресурс работы четырех штам-
пов будет использован полностью, а пятого — лишь на 20 %.
Увеличение затрат на оснастку от недоиспользования ре-
сурса работы пятого штампа и дает возможность выделить
второе слагаемое выражения (5.13).
С учетом (5.13) выражение (5.12) примет вид
С, = М t (пС.~ + А. (5.14)
где для рассматриваемого способа получения заготовки и
при определенном типе оснастки первые два слагаемых по-
стоянны и не зависят от программы производства, а осталь-
ные — переменны.
Покажем принцип проведения структурно-факторного
анализа технологического процесса на примере анализа спо-
соба объемной штамповки заготовки детали «седло». Ре-
зультаты расчета представлены на рис. 5.5.
Из рисунка видно, что затраты на оснастку достигают
минимума, когда ресурс ее работы используется полностью,
т. е. объем выпуска заготовок
кратен стойкости штампа. Не-
доиспользование ресурса рабо-
ты штампа приводит к увели-
чению затрат на оснастку, что
оказывает влияние и на сум-
марную составляющую, и на
полную себестоимость. Необ-
ходимо отметить наличие не-
скольких областей серийнос-
ти заготовок, образуемых пе-
ресечением различных статей
затрат с затратами на основ-
ной материал.
При объеме выпуска более
Ny затраты на материал заго-
товки значительно преоблада-
ют над другими статьями за-
трат и пределяют себестоимость
Объем выпуска, тыс. шт./год
Рис. 5.5. Зависимость статей за-
трат от объема выпуска
325
заготовки. Очевидно, что если серийность производства за-
готовок лежит в этой области, то первостепенными задачами
конструктора и технолога являются разработка и реализа-
ция мероприятий, направленных на снижение расхода ос-
новного материала.
Эти мероприятия могут включать проведение более тща-
тельной отработки детали на технологичность, применение
упрочняющих технологий, позволяющих снижать расход ма-
териала за счет увеличения его прочности, использование
прогрессивных процессов резки или рубки исходных загото-
вок, замену средств нагрева на безокислительные и т. д. Од-
нако следует учитывать, что внедрение предлагаемых меро-
приятий должно обеспечивать более интенсивное снижение
затрат на основные материалы, чем увеличение затрат за счет
использования дополнительных мероприятий, т. е. должно
выполняться условие
TVf О + А .
ДГ" О' + А' при Сз > С 3’ (515)
где штрихи «'» и «"» — указывают на факторы до и после
внедрения мероприятия.
Область между N2 и характеризуется превышени-
ем суммарных затрат над затратами на основной материал.
В анализируемой области изменения объема производства
целесообразно рассмотреть возможность проведения комп-
лекса мероприятий по снижению суммарных затрат, кото-
рые могут включать модернизацию оборудования, средств
нагрева, механизацию и автоматизацию вспомогательных
работ и т. п. Однако и в этом случае должно выполняться
условие (5.15).
Мероприятия, связанные со снижением расхода основ-
ных материалов при объмах менее АГр рассматривать неце-
лесообразно, так как повышение точности заготовки при
данном способе ее получения, как правило, сопряжено со
значительным увеличением доли остальных затрат и эф-
фект от экономии основных материалов не обеспечит пере-
крытия затрат на его получение, т. е. условие (5.15) не бу-
дет выполнено.
В рассматриваемой области первоочередной задачей яв-
ляется повышение производительности оборудования, так
как в статье затрат А затраты на эксплуатацию и содержа-
ние оборудования являются доминирующими. Рассмотрим
подробнее это положение.
326
При снижении серийности производства заготовок воз-
никает необходимость увеличения номенклатуры заготовок,
закрепляемой за единицей оборудования, в целях обеспече-
ния нормальной его загрузки. Однако увеличение номен-
клатуры приводит к увеличению потерь времени работы обо-
рудования, которые возникают из-за необходимости чаще
производить смену оснастки. В результате производитель-
ность оборудования падает. Сказанное легко проиллюстри-
ровать на примере.
Пусть время работы единицы оборудования, например
кривошипного горячештамповочного пресса, определяется
следующим образом:
Тэ=Тшт + Тп + Дг, (5.16)
где Тэ — эффективный годовой фонд рабочего времени еди-
ницы оборудования; Тшт — машинное время штамповки
заготовок, необходимое для выполнения заданной програм-
мы; Тп — время на переналадку штамповой оснастки; AZ —
неучтенные потери времени.
Первые два слагаемых в равенстве (5.16) можно предста-
вить в виде:
m
Тшт=#-; Tn = tnYKi, (5.17)
где По — номинальная производительность рассматриваемо-
го оборудования при заданных условиях штамповки; и —
число штамповок i-ro наименования по годовой программе;
m — число наименований заготовок, закрепленных за рас-
сматриваемым оборудованием; tn — время одной переналад-
ки штамповой оснастки на рассматриваемом оборудовании;
Ki = К] + К" — число переналадок оснастки при штамповке
поковок i-ro наименования; К\ — число переналадок, вы-
званных условиями поставки заготовок (при ежемесячной
поставке К\ = 12, при ежеквартальной К\ - 4, при годовой
K'i = 1 и т. д.); К'\ — число переналадок, определяемых стой-
костью оснастки (если стойкость оснастки меньше единовре-
менно штампуемой партии заготовок, то К'\ 0). С учетом
равенств (5.17) уравнение (5.16) примет вид
m
X ni m
T3=^=- + tnYKi+^t. (5.18)
11o i
327
Из равенства (5.18) можно определить число заготовок
2V, получаемых на данной единице оборудования:
N = ^ni=no,
(5.19)
тогда средняя производительность оборудования
V ( t т At А
Р = ~- = ПО. (5.20)
2э 1 лэ)
Для упрощения расчетов и дальнейших рассуждений
пренебрежем величиной At/T3 вследствие ее малости, тогда
уравнение (5.20) примет вид
( t т \
Р = П0 1-^-М •
I 1 Э 1 )
(5.21)
Как видно из полученного выражения, средняя произво-
дительность оборудования приближается к номинальной при
снижении времени переналадки оборудования или уменьше-
нии числа наименований поковок, закрепленных за едини-
цей оборудования при постоянном фонде рабочего времени.
В качестве примера на рис. 5.6 представлены результаты
расчета средней производительности оборудования при за-
Число наименований Время одной
поковок, шт. переналадки, ч
Рис. 5.6. Зависимость средней производительно-
сти оборудования от числа и времени перенала-
док инструмента
328
данных значениях числа переналадок, времени одной пере-
наладки и годового эффективного фонда рабочего времени.
Анализ полученных результатов показывает, что при
малой номенклатуре заготовок (большой серийности) боль-
шего эффекта можно достичь за счет дальнейшего сниже-
ния номенклатуры. Это дает возможность использовать спе-
циализированное, высокопроизводительное оборудование.
Изменение времени на одну переналадку не оказывает при
этом значительного влияния.
При изготовлении заготовок мелкими сериями наблюда-
ется обратная картина: при большой номенклатуре измене-
ние времени на одну переналадку оснастки приводит к рез-
кому увеличению производительности оборудования. Так, при
т = 200 изменение времени переналадки в два раза (с 4 до 2 ч)
приводит к увеличению производительности в четыре раза.
Существующие способы увеличения производительности
при использовании групповой технологии, приводящие к сни-
жению номенклатуры заготовок, в этих условиях не дают
ожидаемого эффекта. Действительно, снижение номенкла-
туры заготовок с 200 до 150 единиц при времени переналад-
ки 2 ч приводит к увеличению производительности оборудо-
вания лишь в 1,15 раза. Кроме того, групповая технология
предполагает изготовление заготовки, используемой для по-
лучения различных деталей, объединенных по общим конст-
руктивным признакам. В результате на одних деталях это
приводит к снижению стоимости основных материалов, на
других — к увеличению, подчас значительному.
Таким образом, в рассматриваемой области объемов про-
изводства заготовок особое внимание следует уделять реше-
нию вопросов механизации и автоматизации вспомогатель-
ных операций, в частности смены оснастки, что позволит
существенно увеличить съем заготовок с единицы оборудо-
вания и тем самым снизить затраты на эксплуатацию обо-
рудования.
Область объема выпуска менее А2 характеризуется тем,
что все составляющие затрат, включая и затраты на оснаст-
ку, превышают расходы на основные материалы, поэтому
первоочередной задачей в этой области объемов производ-
ства становится задача снижения затрат на изготовление и
эксплуатацию оснастки.
Технологическая оснастка должна удовлетворять требо-
ваниям, обусловленным построением технологического про-
цесса, и соответствовать по стойкости и надежности нормам,
устанавливаемым из условия минимальных затрат на произ-
329
водство заготовок при заданной серийности. Как видно из
данных (см. рис. 5.5), этого можно достичь только при усло-
вии полного использования ресурса работы оснастки.
Если говорить о штамповой оснастке, то стали, использу-
емые для изготовления штампов, обладая хорошими проч-
ностными характеристиками за счет введения в них легиру-
ющих элементов, обеспечивают сравнительно высокую стой-
кость, исчисляемую тысячами поковок, в чем нет необходи-
мости при мелкосерийном производстве, когда потребность в
штамповках составляет десятки, реже — сотни штук в год.
В этом случае целесообразно применять менее стойкие,
но более дешевые стали, причем выбор их должен осуще-
ствляться с учетом того, что стойкость штампа должна быть
равна программе выпуска поковок. Только в этом случае
могут быть обеспечены минимальные затраты на изготов-
ление и эксплуатацию оснастки. Подробнее это положение
рассмотрено в параграфе 5.3.
Обобщая изложенное, сформулируем основные этапы
структурно-факторного анализа технологического процесса:
• выделение статей затрат, входящих в себестоимость за-
готовки для конкретных условий производства;
• выявление критических объемов производства, при пе-
реходе через которые происходит изменение значимости того
или иного фактора в составе себестоимости заготовки;
• определение области, в которую попадает заданный объем
производства заготовок;
• разработка мероприятий, позволяющих снизить себес-
тоимость заготовки и наиболее эффективных при заданном
объеме производства;
• определение технико-экономических показателей спо-
соба получения заготовки с учетом внедрения разработан-
ных мероприятий.
5.3. Методика определения материала штампа
для мелкосерийного производства штамповок
Точность штампованных заготовок в решающей мере оп-
ределяется стойкостью штампов. Известно, что составляю-
щая погрешности поковки, вызванная погрешностью инст-
румента, соответствует 60-80 % ее суммарной погрешности.
Низкая стойкость штампов тормозит широкое внедрение
новых прогрессивных машин и технологических процессов
горячей объемной штамповки. Особенно актуален вопрос стой-
330
кости инструмента при внедрении высокопроизводительных
прессов, обеспечивающих получение 60-80 и более деталей
в минуту. Кроме того, возможность комплексной автомати-
зации и механизации кузнечно-штамповочного производства
также тесно связана со стойкостью оснастки.
Вместе с тем известно, что придание штампам повышен-
ной стойкости и работоспособности является трудной зада-
чей, особенно при жестких термомеханических режимах
штамповки, повышении требований к точности поковок и
распространении горячей штамповки в область обработки
труднодеформируемых материалов.
Для своевременного решения задач, связанных с удовлет-
ворением настоящих и будущих запросов кузнечно-штампо-
вочного производства по штамповой оснастке, необходимо
создать развитую теорию стойкости и надежности штампов.
Эта теория должна учитывать вопросы металловедения, теп-
лофизики, физики твердого тела, механики деформирова-
ния твердого тела, а также отражать вопросы технико-эко-
номического анализа при выборе оптимальных параметров
штампа и условий его работы.
Кроме этого, создание такой теории даст возможность уже
на стадии проектирования оценить условия работы штам-
па, установить марку и рациональный режим термообра-
ботки материала штампа исходя из конкретных условий
штамповки. Особую актуальность это приобретает в усло-
виях единичного и мелкосерийного производства поковок.
Штампы должны удовлетворять требованиям, обусловлен-
ным построением технологического процесса штамповки, и
соответствовать по стойкости и надежности расчетным нор-
мам, которые следует устанавливать из условия минималь-
ных затрат на производство поковки. Однако из-за наличия
объективных и субъективных факторов невозможно добить-
ся устойчивого функционирования штампов. О масштабах
неустойчивого функционирования штамповой оснастки дают
представление диаграммы [2], приведенные на рис. 5.7.
С другой стороны, диаграммы указывают на большие
потенциальные возможности увеличения сроков эксплуа-
тации штампов.
Стойкость штампов зависит от многих факторов. Их мно-
гообразие и взаимозависимость, а также отсутствие доста-
точного объема экспериментальных данных об условиях
эксплуатации штампового инструмента затрудняют прове-
дение мероприятий, направленных на повышение эффек-
тивности кузнечно-штамповочного производства.
331
Рис. 5.7. Диаграмма съема поковок со штампов: а — вилка
включения (молот); б — сателлит дифференциала МАЗ-200
(КГШП)
Обычно все факторы, влияющие на стойкость штампов,
подразделяют на три группы:
• факторы, характеризующие технологический процесс
штамповки, т. е. форму и массу поковки, степень деформа-
ции, условия течения деформируемого металла, его сопро-
тивление деформированию, условия и температуру нагрева
заготовки, наличие и вид смазочного материала и т. д.;
• факторы, характеризующие штамповочное оборудова-
ние, т. е. скорость деформирования, время контакта нагре-
той заготовки со штампом, наличие выталкивателей и т. д.;
• факторы, характеризующие свойства штамповой стали.
Приведенная систематизация факторов, определяющих стой-
кость штампов, не может быть признана удовлетворительной,
так как она, охватывая все многообразие факторов, не выделя-
ет, тем не менее, главные и второстепенные. Более того, при
надлежащем уровне организации производства влияние ряда
факторов может быть исключено или сведено к минимуму.
На наш взгляд, представляется целесообразным предло-
жить следующую систематизацию факторов, определяющих
стойкость штампов:
• тепловой режим работы штампа, зависящий от темпе-
ратуры штампа перед штамповкой, температуры заготов-
ки, интенсивности штамповки, теплофизических свойств ма-
териала штампа и заготовки;
• силовой режим работы штампа, который зависит от фи-
зико-механических свойств материала штамповки и штам-
332
па, формы и размеров поковки, условий контактного тре-
ния, скорости деформирования;
• организационно-технический режим работы штампа,
включающий время нахождения поковки в штампе до и
после деформирования, вид и количество смазочного мате-
риала, наличие и толщину окалины на заготовке, квалифи-
кацию штамповщика и т. п.
Температурный режим работы штампов определяется
переменным температурным полем, характер которого за-
висит от теплосодержания исходной заготовки, теплового
эффекта пластической деформации и контактного трения,
потерь теплоты в системе «деформируемое тело—штамп».
Вопросу теплового режима штампов посвящен целый ряд
публикаций, свидетельствующих о важности и в то же вре-
мя сложности анализа температурных полей штампа.
Необходимо обратить внимание на то, что существую-
щие решения по определению температурного поля штампа
не носят обобщающего характера, а находятся в каждом
конкретном случае, т. е. даются частные решения для от-
дельных видов штамповок (турбинных лопаток, колец, плос-
ких деталей и т. д.).
Видимо, сложностью аналитического решения распреде-
ления температуры по сечению штампа обусловлены и за-
труднения, связанные с решением задач о распределении тем-
пературных напряжений в штампе. В связи с этим усилия
исследователей в основном направлены на эксперименталь-
ное определение температурных напряжений в штампе.
Температурный режим оказывает существенное влияние
на долговечность инструмента при горячей объемной штам-
повке. Это связано с изменением механических свойств ма-
териала штампа при повышенных температурах, структур-
ными превращениями в поверхностных слоях гравюры
штампа, появлением температурных напряжений. При этом
наиболее существенное значение имеют температура поверх-
ности гравюры штампа, амплитуда колебаний температуры
на поверхности гравюры, температура и глубина прогрето-
го слоя штампа.
Сочетание процессов, протекающих при повышенных и
переменных температурах, с механическим воздействием на
рабочую поверхность штампа определяет вид его износа —
истирание, смятие и разгар.
Не менее сложной представляется задача по определе-
нию напряженного состояния штампа. Это обстоятельство
подтверждается и тем, что в литературе практически отсут-
333
ствуют аналитические решения по определению полей на-
пряжений, возникающих в штампе при деформировании
заготовки.
В связи с этим несомненный интерес представляет рабо-
та [20], в которой выполнены теоретическое и эксперимен-
тальное исследования напряженного состояния закрытых
штампов при штамповке круглых в плане поковок. В част-
ности, авторы подчеркивают, что в наиболее благоприят-
ных условиях находятся штампы, у которых тонкое дно и
массивные стенки, что приводит к появлению сжимающих
напряжений на поверхностных слоях гравюры штампа.
На напряженное состояние штампа влияет также конфи-
гурация поковки, так как при штамповке поковок сложной
конфигурации возрастает неравномерность деформации и,
следовательно, увеличивается удельное усилие деформиро-
вания.
Помимо конфигурации поковки и сопротивления дефор-
мированию на силовой режим работы штампов существен-
ное влияние оказывает контактное трение. Кроме этого,
известно, что при горячем деформировании титан, медь, их
сплавы, а также некоторые жаропрочные сплавы значитель-
но налипают на матрицу. Окислы, имеющиеся на алюми-
ниевых, медных и титановых заготовках, а также на заго-
товках из инструментальных, коррозиционно-стойких и жа-
ропрочных высокохромистых сталей, оказывают сильное аб-
разивное воздействие на гравюру штампа, ускоряя ее износ.
Таким образом, влияние рассмотренных выше факторов
приводит к образованию трех основных видов нарушения
гравюры штампа: пластической деформации гравюры штам-
па, или смятию, истиранию и появлению разгарных трещин.
Как показывает приведенный выше анализ, штампы го-
рячего деформирования работают в чрезвычайно тяжелых
условиях, определяемых, однако, двумя основными пара-
метрами: воздействием механических нагрузок в условиях
нестационарного теплового режима.
Строгое решение задачи анализа условий эксплуатации
штампа связано с целым комплексом задач и отличается
большой сложностью, а недостаточная изученность делает
целесообразным поиск таких путей решения, которые по-
зволили бы, хотя бы в общих чертах, представить картину
явления, понять механизмы наблюдаемых эффектов, при-
ближенно оценить опасность нарушения прочности штам-
па или тех условий, при которых этого не произойдет при
заданном числе циклов нагружения.
334
Наличие такой основы сделало бы возможным объектив-
ное использование данных эксплуатации штампов и специ-
ально поставленных испытаний при проектировании новых
штампов. Кроме этого, появляется возможность создания
математической модели условий работы штампа, пригод-
ной для использования ее при проектировании штамповой
оснастки с применением вычислительной техники.
По мнению авторов, соответствующие возможности пред-
ставляются теорией приспособляемости — обобщением тео-
рии предельного равновесия на случай повторно-перемен-
ного нагружения.
В этой теории в качестве модели среды принимают иде-
альное упругопластическое тело, что обеспечивает относи-
тельную простоту и наглядность получаемых решений, по-
зволяет уяснить влияние различных факторов на стойкость
штампа, включая и те проявления свойств реального мате-
риала, которые непосредственно моделью не отражаются.
Особенность анализа условий прочности объекта, подвер-
гающегося воздействию температуры, заключается в том,
что приходится сталкиваться с целым кругом взаимосвя-
занных частных проблем, относящихся к различным обла-
стям знаний — теплофизике, механике деформируемых сред,
материаловедению. Влияние температурного поля находит
отражение не только в возникновении соответствующих
тепловых деформаций и напряжений, оно сказывается на
всем комплексе теплофизических и механических свойств
материала за счет некоторого изменения структуры мате-
риала штампа.
Штампы, испытывающие в процессе эксплуатации воз-
действие механических нагрузок и тепловых потоков (от кон-
такта с нагретой заготовкой и охлаждения смазочной жид-
костью), изготавливают из материалов, обладающих хоро-
шими или, по крайней мере, удовлетворительными свой-
ствами. В этих условиях ограниченная неупругая деформа-
ция на начальных циклах нагружения не приводит к раз-
рушению и обычно допустима. В частности, как показали
исследования [2], пластическая деформация у вновь изго-
товленных ручьев после первых 5-10 штамповок достигает
0,35-2,6 мм.
Нарушение работоспособности штампа может наступать
лишь при реализации следующих опасных состояний: не-
прекращающегося циклического знакопеременного дефор-
мирования, которое возникает в объемах, характеризующих-
ся наибольшим изменением напряжений за цикл, накопле-
335
ния с каждым циклом нагружения деформаций одного зна-
ка на всей рабочей поверхности штампа или в некоторой
его части.
Таким образом, разрушение, в подготовке которого про-
цессы неупругого деформирования играют определяющую
роль, может быть локальным или общим (глобальным). Это
обстоятельство подтверждается результатами анализа при-
чин выхода из строя штампов [58].
В настоящее время существуют два подхода к расчетной
оценке прочности конструкций, испытывающих повторные
нагружения.
Первый из них, наиболее строгий, состоит в детальном
исследовании неупругого деформирования тела при задан-
ной программе изменения внешних воздействий. Оценка дол-
говечности непосредственно вытекает из сопоставления ре-
зультатов расчета кинетики деформирования с соответству-
ющими экспериментальными данными по разрушению, по-
лученными для рассматриваемого материала. Очевидно, что
реализация такого подхода связана с решением ряда слож-
ных проблем. Главная из них состоит в разработке матема-
тической теории, позволяющей описать наиболее существен-
ные особенности процессов повторного упруговязкопласти-
ческого деформирования материалов при разнообразных ус-
ловиях нагружения. Эта задача особенно сложна, когда
объектом исследования являются теплонапряженные тела,
в которых нагружения сопровождаются изменением темпе-
ратуры.
Второй подход к решению указанной проблемы включает
методы предельного упругопластического анализа. Рациональ-
ное преобразование основных теорем и разработанные на этой
базе строгие (опирающиеся на аппарат неклассического ва-
риационного анализа) и приближенные методы позволяют
эффективно использовать теорию приспособляемости при
решении инженерных задач [18, 62].
Благодаря тому что в основе теории приспособляемости
лежит наиболее простая модель среды — идеальное упру-
гопластическое тело — основные предельные состояния —
знакопеременное пластическое течение и одностороннее на-
копление деформаций — оказываются выделенными каче-
ственно. Целью расчета становится определение условий их
реализации, т. е. нахождение таких значений параметров
нагружения, при которых цикл становится предельным.
Последнее означает, что при любом превышении указан-
ных параметров тело уже не может «приспособиться» к за-
336
данному нагружению. В нем возникает циклическая плас-
тическая деформация.
Для конструкций, испытывающих за срок своей службы
относительно небольшое число циклов изменения нагрузок
и температур, условие приспособляемости может быть при-
нято в первом приближении в качестве критерия прочнос-
ти. При этом допускается, что повреждения и деформации,
накапливаемые при первых циклах, т. е. в процессе при-
способляемости, не опасны для работы конструкции.
В теории упругопластических тел принимается, что тен-
зор деформаций в пластической области можно разложить
на упругие и пластические компоненты.
Первые из них связаны с напряжениями обобщенным
законом Гука:
Eij ~ Aijhk&hk’ (5.22)
где — симметричный тензор упругих коэффициентов.
Пластические деформации в теле могут изменяться лишь
в те периоды, когда компоненты напряженного состояния
удовлетворяют условию пластичности (критерию текучести)
Ф(о/у) = Х'2, (5.23)
где К — пластическая постоянная.
Обычно условие пластичности интерпретируют как урав-
нение поверхности в девятимерном пространстве напря-
жений о^. Напряженное состояние, при котором точка на-
пряжении находится внутри поверхности текучести, при-
нято называть безопасным, а состояние, соответствующее
любому возможному положению точки, включая поверх-
ность текучести, — допустимым.
Квазитермодинамический постулат Друккера [18] обос-
новывает положение о том, что поверхность текучести вы-
пукла, при этом постулат приводит к следующим соотно-
шениям:
~ О’у]Ё/у > 0; (5.24)
[av-o?]ey>0, (5.25)
где Sy — напряженное состояние на поверхности текучес-
ти, которому соответствует скорость пластической дефор-
мации Ёц.
Выпуклость поверхности текучести следует из нестрого-
го неравенства (5.25).
337
В основе теории приспособляемости лежат две теоремы:
статическая и кинематическая.
Первая, установленная Меланом для трехмерной среды
[18], включает следующие утверждения.
1. Конструкция приспособится к повторным нагружени-
ям, т. е. поведение ее после некоторого числа первых циклов
станет чисто упругим. Это возможно, если найдется такое,
не зависящее от времени, распределение остаточных напря-
жений, что их сумма с упругими напряжениями в каждой
точке тела образует безопасное напряженное состояние (т. е.
напряженное состояние внутри поверхности текучести):
Vij + Pij=°ij (5.26)
при всевозможных комбинациях нагрузок, лежащих в ус-
тановленных пределах.
Существо этого утверждения состоит в том, что если при-
способляемость при повторных нагружениях данного типа
вообще возможна, то она обязательно произойдет. Это явит-
ся результатом пластического деформирования, приводящего
к возникновению распределения собственных остаточных
напряжений.
2. Приспособляемость невозможна, если не существует
никакого не зависящего от времени распределения остаточ-
ных напряжений с тем свойством, что при всех возможных
комбинациях нагрузок сумма остаточных и упругих напря-
жений является в каждой точке тела допустимым напря-
женным состоянием, т. е. напряженным состоянием внут-
ри или на поверхности текучести.
При доказательстве теоремы не делается никаких допу-
щений по поводу регулярности поверхности текучести. Это
означает, что в задачах приспособляемости могут использо-
ваться и регулярные (условие текучести Мизеса), и сингу-
лярные (условие текучести Треска—Сен-Венана) поверхно-
сти текучести. Обоснование теоремы не требует также по-
стоянства упругих и пластических характеристик в объеме
тела, следовательно, теорема остается справедливой и для
неоднородного материала.
В связи с определением условий приспособляемости тела
при циклических воздействиях тепловых потоков возника-
ет необходимость учета температурного изменения физико-
механических характеристик материала. Этот вопрос был
рассмотрен Кенигом [60], который предложил и обосновал
следующую формулировку.
338
Конструкция приспособится, если можно найти такое,
не зависящее от времени, распределение пластической де-
формации, при котором суммарная деформация удовлетво-
ряет условиям совместности
£ij ~ + (5.27)
в любой момент времени, т. е
£ij "* ецт + A'ljhk ®hkx = TfWij + Uji )> (5.28)
а входящие в соотношения напряжения ofy , уравновешен-
ные согласно
Pi=Oijnj (5.29)
и
+ (5.30)
внешними нагрузками, являются безопасными.
Здесь — проекции поверхностных сил; пу- — направ-
ляющие косинусы нормали к поверхности, на которой за-
даны Pf, Xi — проекции массовых сил; (7^ — проекция
вектора перемещения; е-ут — термические деформации.
Как и соответствующая теорема теории предельного рав-
новесия, статическая теорема теории приспособляемости в
общем случае определяет нижние границы для допустимых
интервалов изменения внешних воздействий. Одна из та-
ких оценок, естественно, определяется самим упругим ре-
шением задачи, другие могут быть получены путем нало-
жения на него некоторых (статически допустимых) распре-
делений собственных напряжений.
Использование методов математического программирова-
ния дает возможность приближения к точным решениям
более сложных задач. При этом задача теории приспособ-
ляемости состоит в отыскании такой (удовлетворяющей ста-
тическим условиям при нулевых внешних нагрузках) фун-
кции самонапряжения, которая при ограничении
Ф(сф+ pZy)-7T2 < 0 (5.31)
обращает в максимум интервал изменения одного из пара-
метров нагрузки или температурного поля при фиксиро-
ванных интервалах изменения других параметров. Таким
путем может быть определена вся область приспособляемо-
339
сти, граница которой отвечает предельной зависимости меж-
ду интервалами изменения нагрузок и температурного поля.
Вторая теорема приспособляемости была установлена
Койтером [18]. В основе этой теоремы лежит фундаменталь-
ное представление о допустимом цикле скоростей пласти-
ческой деформации. Кинематическая теорема сформулиро-
вана также в виде двух утверждений.
1. Приспособляемость невозможна, т. е. тело в конечном
счете разрушится вследствие циклических пластических
деформаций, если при напряжениях ofj, определенных
в предположении идеальной упругости по внешним воздей-
ствиям, которые изменяются в установленных пределах, мож-
но предложить какой-либо допустимый цикл скоростей пла-
стической деформации Ьщх), при котором будет справедливо
неравенство
Jdtj(Оу - 0?.)ёу dV < О. (5.32)
о
При этом принимается, что напряжения на поверхности
текучести определяются скоростями пластической дефор-
мации согласно ассоциированному закону течения
Ёу- = £Ха , (5.33)
а
где ла = 0, если fa < 0 или fa = 0, но
/а=Д-аЦ<0 (5.34)
(напряжения находятся внутри поверхности текучести либо на
этой поверхности, но в последнем случае имеет место разгруз-
ка); 1а > 0, если fa = 0; fa — функция текучести (а= 1, 2, ...),
с помощью которой описывается сингулярная поверхность.
При регулярной поверхности текучести а = 1 ассоцииро-
ванный закон течения примет форму
Ё' = хЗ~. (5.35)
™ij
2. Конструкция приспособится, если для напряжений,
которые отвечают внешним воздействиям, изменяющимся
в заданных пределах при любых допустимых циклах нену-
левых скоростей пластической деформации, будет справед-
ливо обратное неравенство
340
т
f dxj(Сто - ofy) ei;- dV > 0. (5.36)
о
Рассмотрим возможность приме-
нения теории приспособляемости для
анализа условий работы штампа.
Штамповая оснастка работает
в условиях контактных воздейст-
вий, которые являются повторными.
Как показывает опыт, в определен-
ных условиях они могут приводить
Рис. 5.8. Схема деформиро-
вания заготовки:
К ИЗНОСУ, а Также К недопустимому Р — усилие деформирования
(по условиям эксплуатации) накоп-
лению деформации и специфическим видам разрушения.
Анализ условий приспособляемости проведем на основе
статической теоремы Мелана.
На рис. 5.8. представлена схема деформирования заго-
товки.
Для облегчения математических выкладок рассмотрим
задачу осадки заготовки в условиях плоской деформации.
Примем:
• материал поковки — сталь 15;
• температуру начала штамповки — 1230 °C;
• температуру окончания штамповки — 700 °C;
• предел текучести материала поковки при температуре
окончания штамповки 35 МПа (3,5 кгс/мм*);
• материал штампа — 5ХМ с исходной твердостью 42-45 HRC.
Пусть нагрузка на штамп Р распределена на площадке
шириной L. Всю ширину площадки разобьем на участки
dx, на которых действуют силы pdx, причем
L/2
P = L | pdx.
-L/2
(5.37)
Рассматривая силу pdx как сосредоточенную, определим
напряжения, возникающие в штампе. Упругие напряже-
ния от механических нагрузок определим как
х' -V | II <М N IM N !U я Л + Н к 4—1—' 11 0 pdx; аег = - f о 2 ' 2х z 2x3 1 J 9 9 9 pdX' л(х2 +z2)2 pdx.
тг(х2 +Z2)2
(5.38)
341
Используя уравнение связи напряжений и деформаций, оп-
ределим напряжения, возникающие в результате теплового
воздействия на штамп при контакте с нагретой заготовкой,
ст* =ocEi + £oz;
о2 =aEt + c,ox;
t aEt
Хх2~Т+С
(5.39)
где а — коэффициент линейного расширения, °C-1; Е — мо-
дуль Юнга; £ — коэффициент Пуассона; t — температура.
С учетом (5.38) и (5.39) суммарные напряжения, дей-
ствующие на гравюре штампа:
ст*=ст*+ст*; о, =<Jz+o*; т_, = те„ + т*, . (5.40)
Л -V Л А С А ЛА ЛА ЛА ' г
В первом приближении изменения температуры на гра-
вюре штампа и предела текучести от температуры зададим
в виде линейных зависимостей
* = *0-(*0_M2*/L; сттг =CTT^t1-n^_fo)l (5.41)
где — температура гравюры штампа при х = 0; tk — тем-
пература гравюры штампа при х = L/2; CTTf и стт,о — предел
текучести материала штампа при t и t$ соответственно; п —
эмпирический коэффициент.
Распределение усилий штамповки используем в виде,
полученном в работе [27] для плоской деформации:
dp 2 (dh ,
dx h\ dx Г
Кецр>Кт; т
(5.42)
где ст™ — предел текучести материала штамповки.
Условие пластичности для плоского деформированного
состояния имеет вид
(ах-а2)2-4т2г=|(ст“)2. (5.43)
/.Л2 А
2 I « |
Х 2
Подставляя (5.37) с учетом (5.41) в (5.43), после неслож-
ных преобразований получим
I2 А2
(1-0 = |[от/0-n(t-z0)]2.
-* (5.44)
а
Зависимость (5.44) устанавливает взаимосвязь следую-
щих параметров:
342
• формы очага деформации (dh/dx, hxy)\
• условий трения на контактной поверхности (ц);
• характеристик материала штампа (Е, а, от<0 );
• условий теплового воздействия на штамп (t);
• характеристик материала поковки ().
Это дает возможность определить характеристики мате-
риала штампа, исходя из реальных условий штамповки для
производства поковок в условиях мелкосерийного произ-
водства.
Используя методы математического программирования
и задаваясь интервалами изменения параметров (например,
t и р), можно определить оптимальный режим работы штам-
па в условиях приспособляемости, т. е. обеспечить требуе-
мую стойкость штампа.
Изложенная методика может быть использована и при
анализе условий работы или выбора материала оснастки
для литья в кокиль или под давлением.
5.4. Формализация определения положения
плоскости разъема штампа
При конструировании заготовки одной из наиболее ответ-
ственных задач, решаемых технологом, является определение
положения разъема литейной или штамповочной оснастки.
Правильно выбранное положение разъема обеспечивает:
• свободное извлечение заготовки из оснастки, при этом
исключается возможность деформации заготовки;
• минимальный объем дополнительного металла, который
необходим для образования технологических уклонов и тех-
нологических напусков;
• лучшие условия эксплуатации оснастки за счет облег-
чения очистки полостей от окалины и улучшения условий
смазки;
• повышение качества заготовок за счет улучшения за-
полнения полости оснастки материалом;
• улучшение условий обрезки облоя и качества реза (для
горячештампованных заготовок);
• снижение трудоемкости за счет исключения кантовок
при передаче из ручья в ручей и на обрезку облоя (для го-
рячештампованных заготовок).
Сложность решения задачи определения положения плос-
кости разъема относительно высотных размеров заготовки
343
заключается в том, что в специальной литературе изложе-
ны в основном пожелания, а не четкие критерии, пользу-
ясь которыми можно было бы однозначно определить поло-
жение разъема в каждом конкретном случае.
Необходимо также отметить, что предлагаемые рекомен-
дации носят противоречивый характер и рассчитаны на
большой опыт технолога, его знание тонкостей процесса,
умение предвидеть влияние конфигурации конкретной за-
готовки на все составляющие технологического процесса.
Все это приводит к тому, что формализовать задачу вы-
бора положения плоскости разъема традиционными мето-
дами не представляется возможным.
Авторами рассмотрен подход к решению данной задачи
применительно к процессу горячей объемной штамповки
на кривошипных горячештамповочных прессах. Тем не
менее этот подход может быть использован и для других
способов формообразования.
В процессе проектирования горячештампованной поков-
ки торец, который сопрягается с облойной канавкой (на-
ружный торец), может быть условно отнесен к торцу одного
из трех типов (рис. 5.9).
Тип 1: 0 < Н < K^h^, где Н — толщина поковки, с кото-
рой сопрягается облойная канавка; h% — толщина мостика
заусенечной канавки; — коэффициент, определяющий
минимально возможное соотношение толщины торца поков-
ки и заусенца, при котором торец не оказывает влияния,
аналогичного влиянию облойной канавки до того момента,
когда металл поковки начнет вытесняться в последнюю.
При толщине торца, значение которого лежит в указан-
ных пределах, возможны недоштамповка или значительное
увеличение усилия штамповки. На подобные торцы, как
правило, назначаются напуски.
Т и п 2: Х’1й3 < Н < Hq, где Hq — предельное значение тол-
щины торца поковки для назначения одностороннего уклона
и положения разъе-
ма у верхней или
нижней поверхности
торца поковки.
Тип 3: Н > Но.
В этом случае по-
ложение разъема
штампа однозначно
Рис. 5.9. Возможные формы торцов поковки не определено.
344
Торец поковки, который сопрягается с перемычкой под
прошивку центрального отверстия (внутренний торец), ус-
ловно может быть отнесен к одному из двух типов.
Тип 1: 0 < Нв < K2S, где Нъ — толщина торца поковки,
сопрягающейся с перемычкой под прошивку; S — толщина
перемычки под прошивку центрального отверстия; К2 —
коэффициент предельно минимальной толщины внутренне-
го торца поковки, до которой необходимо увеличить внут-
ренний торец поковки, если он мал.
Тип 2: Н3 > K2S. Анализируя рекомендации по выбору
положения плоскости разъема штампа, предлагаемые раз-
личными авторами [9, 14, 53, 54], можно сформулировать
правила, которыми следует руководствоваться при разра-
ботке алгоритма выбора положения разъема штампа:
• положение разъема штампа выбирается на торцах по-
ковки, имеющих максимальные размеры;
• положение разъема штампа выбирается таким образом, что-
бы обеспечить минимальный объем дополнительного металла,
назначаемого для повышения технологичности поковки;
• положение разъема штампа должно обеспечивать ми-
нимально возможную глубину ручьев штампа;
• положение разъема штампа должно обеспечивать ми-
нимально возможную глубину ручья нижнего штампа;
• положение разъема ковочного штампа должно обеспе-
чивать более простую конфигурацию обрезного пуансона;
• положение разъема штампа должно обеспечивать на-
правление тянутого заусенца после обрезки облоя в направ-
лении обрабатываемой поверхности;
• положение разъема штампа должно обеспечивать ис-
ключение кантовки поковки при передаче из ручья в ручей
или на обрезку облоя; при этом кантовка поковок с массой:
М > Мтах — запрещается,
Mmin < М < Мтах — допускается,
М < Mmin — разрешается,
где Mmjn и Мтах — минимально и максимально допусти-
мые массы поковки, определяемые правилами техники бе-
зопасности при работе в горячештамповочных цехах;
• положение разъема штампа должно обеспечивать необ-
ходимую протяженность площадки под торец обрезного пу-
ансона;
• положение разъема штампа должно исключать утяжку и
деформацию торцевых элементов поковки при обрезке облоя;
• при определении необходимости кантовки поковки сле-
дует учитывать обеспечение контактной поверхности, до-
345
статочной для предотвращения смятия поковки при обрез-
ке облоя и прошивке перемычки;
• положение разъема штампа на внутреннем торце по-
ковки должно (по возможности) совпадать с положением
разъема на наружном торце;
• положение разъема штампа на внутреннем торце дол-
жно обеспечивать минимальное расстояние от разъема штам-
па до обрезного пуансона.
Описательный характер перечисленных правил, отсутствие
каких-либо критериев, позволяющих установить положение
разъема штампа, вызывает необходимость применения лин-
гвистических переменных теории нечетких множеств.
Введем следующие лингвистические переменные:
<ТС, (ОСл, Сл, Н, Си, ОСи), [0, 1], G,T>,
где ТС — тенденция смещения положения разъема штам-
па: ОСл — очень слабо; Сл — слабо; Н — нормально; Си —
сильно; ОСи — очень сильно;
<ОВ, (М, С, Б), [0, 1], G, Т>,
где ОВ — характеристика высоты выступа поковки: М —
малая; С — средняя; Б — большая;
<РОР, (ПК, СК, СлК), [0, 1], G, Т>,
где POP — простота обрезного штампа: ПК — простая кон-
фигурация; СК — средняя конфигурация; СлК — сложная
конфигурация;
<ТоР, (МТ, СТ, БТ), [0, 1], G, Т>,
где ТоР — характеристика торца поковки: МТ — торец
малой толщины; СТ — торец средней толщины; БТ — то-
рец большой толщины;
<Мас, (М, С, Б), [0, 1], G, Т>,
где Мас — характеристика массы поковки: М — малая;
С — средняя; Б — большая;
<ХПП, (ОСл, Сл, Н, Си, ОСи), [0, 1], G, Т>,
где ХПП — характеристика возможности (необходимости)
переворота поковки перед обрезкой облоя: ОСл — очень сла-
бо; Сл — слабо; Н — нормально; Си — сильно; ОСи — очень
сильно;
346
<ТОП, (М, С, Б), [0, 1], G, Т>,
где ТОП — характеристика контакт-
ной площадки обрезного пуансона:
М — малая; С — средняя; Б — боль-
шая.
Значения указанных лингвисти-
Рис. 5.10. Пример задания
функции нечеткого множе-
ства квадрапулом (a, b, с, d)
ческих переменных представляют
собой нечеткие оценки соответству-
ющих характеристик.
Эти оценки определяются через
функцию принадлежности нечеткого множества ц(Х), кото-
рую можно представить в виде трапеции (рис. 5.10). Вооб-
ще говоря, формы представления функций принадлежнос-
ти весьма разнообразны и определяются в каждом конкрет-
ном случае исходя из параметров, заданных лингвистиче-
ской переменной.
На рис. 5.11 представлены примеры задания нечетких
оценок значений некоторых лингвистических переменных.
Из представленных данных видно, что границы между со-
седними лингвистическими значениями (например, М и С,
С и Б) «размыты», что отвечает тем нечетким знаниям, кото-
рыми, как правило, располагает технолог в этих областях.
Действительно, при относительной высоте выступа, рав-
ной 0,7, трудно классифицировать его как малый или сред-
ний. Однако, используя значения функций принадлеж-
ности Нс(О,7) = 0,5 и Рм(0,7) = 0,25, можно сказать, что рас-
сматриваемый выступ скорее средний, чем малый. Однако
отнести его к какой-либо конкретной категории было бы
неправильно.
Рис. 5.11. Примеры задания
нечетких оценок значений
лингвистических переменных:
а — высоты выступа (в отно-
сительных единицах); б — тен-
денции смещения плоскости
разъема; в — массы поковки
0,6 1,4
347
Используя лингвистические переменные, преобразуем
технологические правила выбора положения разъема штам-
па в лингвистические.
Так, влияние массы поковки на возможность ее перево-
рота при обрезке облоя определяется следующими тремя
правилами:
если масса поковки малая (ММ), то возможность ее пере-
ворота очень большая (ОСи);
если масса поковки средняя (СМ), то возможность ее пе-
реворота нормальная (Н);
если масса поковки большая (БМ), то возможность ее
переворота очень малая (ОСл).
Смысл этих правил заключается в том, что если масса
поковки принадлежит множеству ММ, то переворот поков-
ки перед обрезкой облоя не вызывает затруднений; если
масса поковки относится к категории средней тяжести (СМ),
то ее переворот возможен, но не желателен. Если поковка
тяжелая (БМ), то ее переворот запрещен.
Рассмотренную группу лингвистических правил можно
представить графически (рис. 5.12). Такая характеристика
ставится в соответствие матрице нечетного отношения
В = (г,у), элементы которой определяются численными зна-
чениями функций принадлежности нечетких множеств лин-
гвистических значений переменных ХПП и Мас.
Определив принадлежность массы конкретной поковки
к соответствующему значению лингвистической перемен-
ной, можно вычислить нечеткие
Рис. 5.12. Характеристика воз-
можности переворота поковки
перед обрезкой облоя в зави-
симости от массы поковки
множества возможности ее пере-
ворота по формуле
V=G®R, (5.45)
где G — масса поковки; ® — не-
четкая операция матричного ум-
ножения.
Для определения положения
разъема штампа было сформули-
ровано 36 лингвистических пра-
вил. Первоначальное положение
разъема штампа определено как
середина наружного торца поков-
ки. Использованы группы правил:
• влияние возможности дефор-
мации наружного торца поковки
348
при обрезке облоя на положение разъема штампа (шесть
правил);
• влияние конфигурации гравюры штампа на положение
разъема при штамповке на молоте (шесть правил);
• влияние конфигурации гравюры штампа на положение
разъема при штамповке на прессе (шесть правил);
• влияние возможности очистки гравюры нижнего штам-
па на положение разъема штампа (три правила).
На их основе определяем возможность смещения разъе-
ма штампа относительно выбранного положения.
Окончательное положение разъема штампа и необходи-
мость переворота поковки перед обрезкой облоя устанавли-
вается с использованием следующих групп лингвистиче-
ских правил:
• оценка влияния «простоты обрезного пуансона» на не-
обходимость переворота поковки (шесть правил);
• оценка влияния контактной площади обрезного пуан-
сона на необходимость переворота поковки (шесть правил);
• оценка влияния массы поковки на возможность ее пе-
реворота (три правила).
Таким образом, предлагаемый алгоритм, построенный на
формализации интуитивных понятий, таких как: больше —
меньше, легче — тяжелее, проще — сложнее и т. д., дает
возможность автоматизировать проектные процедуры при-
нятия решений в условиях нечетких знаний.
Предложенная методика формализации знаний техноло-
га может быть использована при разработке алгоритма вы-
бора положения плоскости разъема и для других способов
формообразования.
5.5. Концепция автоматизированного проектирования
горячештампованных поковок
в мелкосерийном производстве
Методика разработки технологии получения поковок го-
рячей объемной штамповкой, принятая в настоящее время
технологами за основу, разработана для условий только мас-
сового и крупносерийного производств.
Основными принципами, заложенными в эту методику,
являются:
• максимально возможное приближение формы и разме-
ров поковки к форме и размерам готовой детали;
349
• расчленение процесса штамповки на переходы (одно-,
двух- и многоручьевая штамповка) в целях снижения уси-
лий штамповки;
• специализация кузнечно-штамповочного оборудования
на выпуск определенных деталей из определенных (в боль-
шинстве случаев ограниченного числа) материалов;
• возможность применения дорогостоящей, сложной, но
обладающей высокой стойкостью оснастки;
• возможность опытной отработки конструкции штампа
и технологического процесса до его запуска в производство;
• отсутствие жестких ограничений на продолжительность
разработки технологического процесса, так как количество
вновь разрабатываемых процессов невелико.
Все эти принципы оказываются несостоятельными в ус-
ловиях мелкосерийного производства, когда партия штам-
пуемых заготовок определяется десятками, реже сотнями
штук в год.
Рассмотрим это обстоятельство подробнее, анализируя
изложенные принципы.
1. Отработка технологического процесса и конструкции
штампа в условиях опытной штамповки требует, естествен-
но, определенного количества металла, заготовок. Обычно
при одной — двух доводках штампа это составляет 10-20 шт.
заготовок, которые в условиях мелкосерийного производ-
ства могут составить 10-100 % металла, необходимого на
выполнение годовой программы.
2. Многоручьевая штамповка в условиях мелкосерийно-
го производства нерентабельна, как нерентабельна и слож-
ная дорогостоящая оснастка, так как при малой серийнос-
ти поковок оснастка не отрабатывает свой ресурс, а хране-
ние ее в течение нескольких лет вызывает необходимость
в дополнительных производственных площадях.
3. Кузнечно-прессовое оборудование работает не в ста-
бильном режиме, так как номенклатура штампуемых мате-
риалов разнообразна — от алюминиевых сплавов, обладаю-
щих малым сопротивлением деформации, до высокопроч-
ных сталей и сплавов. Кроме этого, велика номенклатура
штампуемых деталей по массогабаритным характеристикам.
Все это приводит к неравномерной загрузке оборудования,
снижению коэффициента его использования.
4. Проблема экономии металла за счет приближения фор-
мы и размеров заготовки к форме и размерам готовой дета-
ли неразрывно связана с применением более сложной тех-
нологии и оснастки, а следовательно, удорожанием произ-
350
водства, что при мелких сериях не всегда экономически
обосновано.
Таким образом, методика разработки технологии горя-
чей объемной штамповки в условиях мелкосерийного про-
изводства должна строиться на следующих принципах:
• разрабатываемый технологический процесс, в частно-
сти разработка конструкции поковки, должен обеспечивать
наиболее благоприятные условия заполнения металлом гра-
вюры штампа с учетом условий одноручьевой штамповки;
• продолжительность технологической подготовки произ-
водства должна быть сведена к минимуму;
• необходимо максимально упростить конфигурацию по-
ковки для улучшения заполняемости полости ручья штам-
па и исключить доработку конструкции штампа при опыт-
ной штамповке.
В связи со сложностью горячей объемной штамповки и
недостаточностью знаний о ней применение аналитических
методов, основанных на современных представлениях фи-
зических явлений, создает большие трудности при реше-
нии задач проектирования конфигурации поковки для мел-
косерийного производства.
Использование статистических зависимостей в качестве
алгоритмов может обеспечить в лучшем случае лишь тех-
нико-экономический уровень проектирования, достигнутый
на период сбора статистических данных.
Наиболее ответственной частью проектирования техно-
логического процесса горячей объемной штамповки явля-
ется разработка чертежа поковки. На этой стадии разработ-
ки технологического процесса от технолога требуется не
только глубокое понимание физических явлений, протека-
ющих при ГОШ, знание нормативных материалов и умение
ими пользоваться, но и некоторая доля интуиции и худо-
жественного вкуса. Именно поэтому одна и та же поковка,
спроектированная разными технологами, может иметь раз-
личные конфигурации, различные массы и, как следствие,
различные технико-экономические показатели.
Вместе с тем от того, насколько правильно, рационально
спроектирована конфигурация поковки, зависит и количе-
ство переходов, и форма, и размеры исходной заготовки, и
необходимость применения отделочных операций, и возмож-
ность применения того или иного оборудования, и т. д.
Задача оптимизации конфигурации поковки для мелко-
серийного производства может быть сформулирована сле-
дующим образом.
351
Рис. 5.13. Границы из-
менения дополнитель-
ного объема материала
на деталь
Поковка отличается от готовой де-
тали (белый контур рис. 5.13) нали-
чием дополнительного объема метал-
ла, причем предельно допустимые ве-
личины этого объема металла опреде-
ляются:
• минимально возможное значение
(светлый контур) — техническим со-
стоянием производства, уровнем тех-
нологической и технической оснащен-
ности, культурой производства и т. п.;
• максимально возможное значение
(темный контур) — экономической целесообразностью.
Из рисунка видно, что внутри допустимых границ изме-
нения дополнительного объема металла лежит бесконечное
множество возможных конфигураций поковки. Задача про-
ектирования конфигурации поковки для мелкосерийного
производства сводится к отысканию среди этого многообра-
зия той конфигурации, которая отвечает выполнению того
или иного критерия.
В качестве такого критерия может выступать усилие
штамповки как параметр, характеризующий возможность
использования того или иного оборудования. Очевидно, что
для получения поковки с минимальным дополнительным
объемом металла потребуется оборудование большей мощ-
ности, чем для получения поковки с максимальным допол-
нительным объемом металла.
Основную массу заготовок, получаемых горячей объем-
ной штамповкой, составляют поковки осесимметричной и
удлиненной в плане конфигурации. Поэтому все дальней-
шие выкладки и рассуждения будут ориентированы на эти
конфигурации.
Для определения полного усилия штамповки удлинен-
ных в плане поковок можно воспользоваться рекомендаци-
ями, изложенными в работе [27]. Авторами получена впол-
не пригодная для практики зависимость распределения
удельных усилий по поперечному сечению поковки, кото-
рая имеет вид
dP = 2K^ + 2x^,
h h
(5.46)
где dP — приращение усилия деформирования поковки,
действующее на гравюре штампа; К — постоянная плас-
тичности или сопротивление деформации, К = / -УЗ (ns —
352
предел текучести материала поковки при температуре де-
формации); h — текущая толщина поковки; т — касатель-
ное напряжение, закон изменения которого авторами при-
нят следующий:
К
с
-К
при Х<Хи~С',
при хд-с<х<хн +с;
При X>Xjj+C,
(5.47)
где хн — координата центра давления поковки; с — поло-
вина протяженности зоны прилипания.
Используя рекуррентные соотношения [преобразующие
зависимость (5.46) в вид, пригодный для ЭВМ], не пред-
ставляет сложности получить распределение удельных уси-
лий по сечению поковки, а следовательно, и полное усилие
как площадь под этой кривой.
В данной главе авторами предлагается вывод аналогич-
ной зависимости для осесимметричной задачи.
На рис. 5.14 показана схема действия сил на элементар-
ный объем металла для осесимметричной заготовки.
Анализ напряженного состояния осуществляется для
конечной стадии деформирования, когда ползун пресса на-
ходится в крайнем нижнем положении, гравюра штампа
полностью заполнена, а излишки металла вытекли в облой-
ную канавку. При этом сделаны следующие допущения:
1) температура поковки постоянна и не зависит от коор-
динат;
2) радиальные напря-
жения постоянны по вы-
соте поковки и равны;
3) условия трения на
контактной поверхности
подчиняются закону Куло-
на — Амонтона, а распре-
деления контактных каса-
тельных напряжений при-
няты в виде (5.47);
4) нормальные удельные
усилия, действующие на
контактной поверхности,
распределены равномерно
в пределах элемента очага
деформации.
Рис. 5.14. Схема действия сил на эле-
ментарный объем металла
353
Введем следующие обозначения:
dtp 2p + dp ,
площадь верхней части элемента FB =----g----~—dp;
COS Ujg
dtp 2p + dp ,
площадь нижнеи части элемента FH ----------=—dp;
COS
j
площадь боковой поверхности = hap+ -ap;
площадь внутренней поверхности Fp = Apdtp;
площадь наружной поверхности Fp+dp = (Л+ di/B+di/H)x
x(p + dp)dtp.
Полагаем, что температура по сечению поковки постоян-
на (К = const), а условия контактного трения на верхней и
нижней гравюрах одинаковы (тв = тн = т). Проецируя все силы
на ось X, получим
OpApdcp - (ср + dop)(ft + dyB + dyH)(p + dp)dtp +
n . _ dtp 2p+dp , „ . Л dtp 2p + dp ,
+ Psin6B —-7;— n --dp + Psin0H —-77—Hdp +
B cos0B 2 H cos0B 2 K
„ . fdcpYi. dyB + dy.H'\, _ dtp 2p + dp,
+ 2Сф81п h+ .......dp-Tcos0B———-^dp-
( Д 2 J cos0B 2
_ dtp 2p + dp , . /к лох
-tcos0h—-7;— dp = O. (5.48)
H cos0„ 2 r
XI
Учитывая, что sin
dtp's dtp
2 * 2 ’
/
сокращения на dtp получим
после раскрытия скобок и
срйр - Стрйр - Gphdp - typdyBp - tspdyBdp - <spdyBp -
- GpdyHdp - dtjphp - dophdp - dtspdyBp - dcpdyBdp -
j j j j „2p + dp , n2p + dp,
-dctpdy^p-dopdyHdp + P~ — dyB + P dyB +
\ dyn+dy„'\ , _ 2p + dp , Л z_
+ сф h+ -B ™ dp-2x Hdp = O. (5.49)
M I Ct
Пренебрегая бесконечно малыми второго порядка, полу-
чаем
- t3phdp - tspdyBp - opdi/Hp - daphp + PpdyB + PpyH +
+ cv/idp-2xpdp = 0. (5.50)
354
Поделив (5.50) на hp, после несложных преобразований
получим
п . п dyS. + da Pdy* Pdy* гг dP+2-r^-0
°Р р + аР h + аР h +ctaP Р h Р h °фу + 2тт~0
или
(ор-Сф)^-(Р-ор)^-(Р-ор)^- + ^р + 2т^ = 0. (5.51)
Для решения полученного уравнения воспользуемся ус-
ловием пластичности постоянства максимальных касатель-
ных напряжений, что в данном случае допустимо.
Главными напряжениями в этом случае будут
СТ1 = стр» ст2 = ст«р; ст3 : Р'
Тогда условие пластичности в главных напряжениях за-
пишется так:
(Стр - Оф )2 + (Стф - Р)2 + (Р - ар )2 = 2о2,
а при Ор = Оф преобразуется к виду
р-ар = 7зя,
СУ
где К =-А — постоянная пластичности, или сопротивле-
V3
ние деформации; os — предел текучести материала поков-
ки при температуре деформации.
С учетом изложенного выражение (5.51) примет вид
->/ЗА'^?2--^Х'^3- + </(Р->/ЗЛ + 2т^г = 0. (5.52)
п п п
Поделив полученное выражение на К- и введя обозначения
Р т
dP = d—; т = —,
К К’
окончательно получим
</Р = 7зк(^54^а-^±2т^. (5.53)
I h I h
Для поковки, симметричной относительно плоскости
разъема штампа, формула (5.53) примет вид
dP = у/ЗК~ + 2т^-. (5.54)
h h
355
Уравнение 5.53 устанавливает зависимость удельных уси-
лий от конфигурации осесимметричной поковки. Аналогич-
ным образом можно записать и для поковки, удлиненной
в плане:
^Р = 2#^ф^-±2т^. (5.55)
h h
В общем виде зависимость удельных усилий от конфигу-
рации поковки можно записать следующим образом:
dP = p/f^-±2T^, (5.56)
a п
где Р = 2 — для удлиненной в плане поковки, (3 = J3 — для
осесимметричной поковки.
Получение точного общего решения уравнения удельных
усилий, представляющее распределение удельных усилий
по ширине очага деформации, весьма трудоемко, посколь-
ку придется задавать аналитическое описание формы очага
деформации. При использовании ЭВМ целесообразно вос-
пользоваться рекуррентными соотношениями для нахож-
дения распределения удельных усилий по ширине очага
деформации:
(5.57)
где Рит — относительные значения удельных усилий и
контактных касательных напряжений.
В качестве алгоритма изменения конфигурации попереч-
ного сечения поковки авторами использован метод поло-
винного деления, т. е. предыдущее значение текущей высо-
ты поковки равно полусумме текущего и предыдущего зна-
чений.
В приложении 2 приведены результаты расчета распреде-
ления удельных усилий и изменения конфигурации попе-
речных сечений поковок из стали 45Х (более темным цветом
выделены области, упрощающие конфигурацию поковки).
Из приведенных данных видно, что предложенный алго-
ритм анализа поперечного сечения поковки может быть
использован при выборе рациональной формы поковки при
различных сериях производства.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА
1. Функциональное назначение программы,
область применения, ограничения
Программное обеспечение «Выбор рационального варианта»
(далее — программа) предназначено для решения на ПЭВМ задач
выбора рационального варианта из ряда альтернативных:
выбор технологического процесса изготовления детали;
выбор варианта технического перевооружения предприятия;
выбор варианта реконструкции аэропорта;
выбор марки автомобиля для покупки;
выбор спутника жизни (в брачных бюро);
выбор места работы;
выбор квартиры для обмена;
выбор руководителя предприятия, подразделения;
выбор банка для размещения денежных средств;
определение победителя конкурса и т. д., и т. п.
Основным условием для задач подобного класса является на-
личие нескольких альтернативных вариантов (не менее двух),
обеспечивающих одинаковый или близкий по качеству исход. Эти
варианты оцениваются по некоторым показателям (не менее двух).
Очевидно, что при наличии одного варианта задача лишена смыс-
ла, а при оценке вариантов одним показателем человек решит
такую задачу значительно быстрее любой ЭВМ.
Использование данной программы целесообразно при решении
задач с большим количеством вариантов, оцениваемых большим
количеством показателей. Программой предусматривается возмож-
ность решения задач при максимальном количестве вариантов —
255 и показателей — 255.
Программой не предусмотрено решение оптимизационных за-
дач. Выбор рационального варианта осуществляется из конкрет-
ного в текущий момент некоторого множества альтернатив, опре-
деляемого лицом, принимающим решение (ЛПР).
Состав и количество показателей, по которым производится
сопоставление вариантов, должны отвечать условиям необходи-
мости и достаточности для того, чтобы с максимально возможной
полнотой охарактеризовать альтернативные варианты.
Каждый показатель имеет следующие атрибуты:
наименование;
тип;
знак;
вес;
базовый вариант.
357
Наименование. Эта характеристика показателя не требует по-
яснения — каждый показатель должен иметь оригинальный иден-
тификатор (длина поля 50 символов).
Тип. Показатель может быть количественный (Я) или каче-
ственный (Q). Если для показателя может быть определено коли-
чественное значение для всех вариантов, то тип показателя при-
нимает значение — количественный. В этом случае числовое зна-
чение может быть четким (5; 3,5; 4,85; 1250 и т. п.) или нечетким
(диапазон: [1 ... 8], [2,75 ... 3,56], [132 ... 586] и т. п.). Если для дан-
ного показателя числовое значение для всех вариантов опреде-
лить затруднительно, сопоставление вариантов может осуществ-
ляться при помощи качественной оценки. В этом случае тип по-
казателя — качественный.
Четкое значение: 5; 4,5; 0,836; 109,56 и т. д.
Нечеткое значение: [5 ... 6], [8,5 ... 12,3], [0,06 ... 0,1] и т. д.
Программой предусмотрены два поля ввода количественного
значения показателя: MIN/MAX. Если значение четкое, то не важ-
но, в какое поле вводится это значение. Если значение нечеткое,
то в соответствующие поля вводятся минимальное и максималь-
ное значения диапазона. Для одного и того же показателя, если
он определен как количественный, по различным вариантам мо-
гут вводиться как четкие значения, так и нечеткие.
Качественная оценка вариантов осуществляется следующим об-
разом. Каждый вариант сравнивается с базовым, используя каче-
ственные отношения, выводимые в качестве подсказки на экран.
Ввод качественного отношения максимально упрощен за счет
использования перемещаемого движка.
Знак. Под знаком показателя понимается характер его влия-
ния на достигаемый результат. Если увеличение значения пока-
зателя приводит к положительному эффекту, то знак показателя
положительный (+). Если увеличение показателя приводит к от-
рицательному эффекту, то знак показателя отрицательный (-).
Например, цена товара для покупателя является показателе^
отрицательным — чем меньше цена, тем лучше вариант (при
выборе места покупки товара). Зарплата же является положитель-
ным показателем — чем выше зарплата, тем лучше вариант (при
выборе места работы).
Вес. При решении конкретной задачи может встретиться ситу-
ация, когда необходимо оценить варианты по комплексу показа-
телей, которые имеют различную степень важности (значимости)
для ЛПР.
Пример. Решается задача выбора места работы. Оценка
вариантов осуществляется по показателям:
1)зарплата;
2) затраты на дорогу (временные или стоимостные);
3) престижность должности;
4) социальные условия (наличие столовой, дома отдыха, пан-
сионата или иное).
358
Для человека пожилого более значимым может оказаться по-
следний показатель, для тщеславного — третий, для молодой ма-
мы — второй, а для бывшего безработного — первый. Безуслов-
но, остальные показатели также значимы, но в каждом конкрет-
ном случае имеется возможность выделить более значимые, за-
дав им большее значение веса.
Учесть индивидуальные особенности требований к наиболее
рациональному варианту и дает возможность наличие рассматри-
ваемой характеристики показателя.
Базовый вариант. По каждому показателю устанавливается
базовый вариант — вариант, не хуже которого (по конкретному
показателю) автор задачи хотел бы видеть результат. Вводя базо-
вый вариант, ЛПР тем самым определяет свои требования к же-
лаемому результату.
Пример 1. Необходимо выбрать вариант технологического
процесса получения заготовки для некоторой детали, обеспечива-
ющий:
коэффициент использования металла не ниже 0,6 (вариант № 2);
затраты на изготовление не выше 300 руб./шт. (вариант № 5);
трудоемкость не выше 1,7 нормо-ч (вариант № 2);
использование труда рабочего не выше 4-го разряда (вариант
№ 2); и т. д.
Пример 2. Выбрать место работы, которое обеспечивало бы:
зарплату не ниже 3000 руб. (вариант № 10);
длительность проезда не больше 30 мин (вариант № 4);
возможность работы не более 5 ч (вариант № 5); и т. д.
Режимы работы программы определяются меню, которое рас-
положено на экране слева (рис. 1-7 и далее).
Работа с программой сводится к следующим воздействиям на
пункты меню.
Рис. 1. Окно заставки программы
359
Открыть файл задачи
ПР|
Палка: | J Data 3 ю а ЕЗ’
ЯП Пример_1.г|1
(_j Пример_2.гН
Й | Пример_3.г1(
Имя файла: [Пример_2.rtf | Открыть
Тип файлов: IФорматированный текст "I Отмена
Рис. 2. Поиск и ввод файла задачи
Рис. 3. Окно описания задачи
НВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА (Прммер.Т.гМ)
Залача •.Механообработка
- ; Новая
- - Отсрьтгь
Сохранить
Описание
и Варианты
Показатели
Данные
Ковка с прошивкой
Ковка в подкладных штампах
Горячая объемная штамповка на молоте
Горячая объемная штамповка на КГШП
Горячая объемная штамповка на ГКМ
Литье в песчано-глинистые формы
Литье центробежное
Литье в оболочковые формы
Рис. 4. Окно описания вариантов
360
Рис. 5. Окно описания показателей
Рис. в. Окно ввода числовых данных
СЗВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА (Пример 1 .Н|
Завма
i B5Q993SSS0sS9
I Кео войт тип выхода годного
Себестоимость изготовлетм» эагоговкм. руб
. Сохранить
Себестамиость изготовлегмя детели, руб
Трудоеькость иэгоговлетям заготовки, н/чэс
Нзтштты
Мекаимброботха
— Описание
Варианты
Гор**ея объемная штамповка не КГШП
I качвст—»bi
7
Текущий вариант немного лучше базового
Рис. 7. Окно ввода качественных отношений
361
Задача
Новая
Для новой задачи очищаются все поля ввода.
Найти
Предлагается диалоговое окно поиска файла задачи, которая сфор-
мулирована и записана ранее в файл, созданный в любом текстовом
редакторе, позволяющем сохранять файлы с расширением
Сохранить
Предлагается диалоговое окно сохранения задачи в файл.
Описание
Предлагается поле ввода или редактирования описания задачи.
Варианты
Предлагается поле ввода или редактирования описания наиме-
нований вариантов.
Показатели
Предлагается поле ввода или редактирования описания наиме-
нований показателей и поля ввода или редактирования парамет-
ров показателей.
Данные
Предлагаются поля ввода или редактирования исходных дан-
ных.
АНАЛИЗ
Входной
1вЫ€иРРАЦИ11»ШЛ1ЛО11)ВЛ»'ИАНГА|Иримп>,1 rtt|
If. ' РЕЗУЛЬТАТЫ ОВЩБЙ ПРОВЕРКИ ДАННЫХ
| Амаяи» '' Входной анализ проведен успешно Замечаний нет
_ j
..
[Вм*м*. «мамвм
Рис. 8. Окно результа-
тов входного анализа
Однородность
Рис. 9. Окно результа-
тов анализа однородно-
сти данных
j ГЗШП?ЕЖДЕНИВ
Отмечается неоднородность дисперсий исходных данных
Возможна одна нт следующих ситуаций
1 По пошозтедю *Трудоеа»есть механообработки, всчэс* исходные
иные очень мало отлнчазстся друг от друга. Поэтому дисперсия
кайа. а исходные данные сосредоточены около среднего
2 По показателю ‘Коэффициент использования металла’ исходные
анные имеют большой разброс Поэтому дисперсия велика, а
исходные данные сильно отличаются от среднего
оанммзнруйте исходные данные еще рао. обратив ••собсе
тинмаиие на исходные данные до указанным аомлатеялм
362
Зависимость
[СЗВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА (Прммер.1 rtt]
Вжо&ноы
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕРКИ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Однородность
Между показателями ^Коэффициент выхода годного* и
*Трудое»состъ механообработки, н/час* наблюдается зависимость.
1 Дисперсия для первого показателя =0.0699221
Дисперсия для второго показателя =0.0117901
Отношение дисперсий =5,93059 > 5.12 - табличного значения F -
критерия Фишера при 5%-м уровне значимости,
коэффициент корреляции — 0,2721
Между показателями 'Коэффициент выхода годного* и
["Оперативное время механообработки, час' наблюдается
jteHCHMOCTb
Дисперсия для первого показателя =0.0699221
Дисперсия для второго показателя =0.0132403
Отношение дисперсий =5,23102 > 5.12 - табличного значенияF -
критерия Фишера при 5%-м уровне значимости;
Рис. 10. Окно резуль-
татов анализа зависи-
мости показателей
В зависимости от выбранной позиции будет произведена соот-
ветствующая проверка введенных исходных данных, результаты
которой выводятся на экран.
РЕЗУЛЬТАТ
Если введенные данные не содержат фатальных ошибок, то
этот пункт меню дает возможность рассчитать все необходимые
величины для дальнейшего анализа.
11риоритеты
На экран выводятся результаты расчета приоритетов по вариан-
там либо для конкретного показателя, либо для всех показателей.
Предпочтения
Этот пункт меню дает возможность вывести на экран результа-
ты окончательного анализа предпочтительного варианта.
Отчет
На экран выводится отчет о решении текущей задачи.
S
1_3амч*. • ~
Анализ "
Ре я;льгот
[ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА ([1ример_1 rtf)
• Приоритеты
Предпочтении I
Значения приоритетов по показателю
Коэффициент выхода годного _
КооФФшиенг исполъзовмм Трудоемкость изготовления заготовки, х/час
Себестоимость изготовляем
Себестоимость механообрабо _
Себестоимость изготовляем Вариантыриоритет
8®®ШЗ!ВЕЕВ83ЕШ1 Механообработкал0.1685
Трудоемкость механообребот
Т руаовмкость изготовляем д
Оперативное времч их стовле
Операпмное врема меынооб
Оперативное врем» кхотселс
Затраты не оснастку в мготя
Затраты на хнастку е меха»
Общие затраты на оснастку. ।
t Ковка с прошивкойл0,09913
f Ковка в подкладных штампахЛ0,1073
[ Горячая объемная штамповка на
• молотел0.1091
' Горячая объемная штамповка на
КПППЛ0,1142
Горячая объемная штамповка на ГКМ^Д 151
Литье в песчано-глинистые формыЛ0,06558
Лнтъе центробежноел0.1082
Литье в оболочковые формыУ), 1128
н
Рис. 11. Окно выво-
да результата расче-
та приоритетов
363
Рис. 12. Окно выво-
да результата расчета
приоритетов (гисто-
грамма)
«ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА (Пример J >tf|
ИНЕ
'качения предпочтений вариантов
Аналм»
Рвэ*м»т«т "j ВариантлПредпочтенне
. Приоритеты
• Превпсчтемня
• Отчет
в I
Горячая объемная штамповка на ГКМ'Ч). 1296
Литье центробежноел0.1283
Литье в оболочковые формыл0,1261
Горячая объемная штамповка на КП1Шл0,1253
Горячая объемная штамповка на молотеА0,1184
Ковка в подкладных штампах^, 1037
Мехам ообработкал0,09758
Ковка с прошивкой/'0.09733
Литье в песчано-глинистые формыА0.07383
Рис. 13. Окно выво-
да результата расчета
предпочтений
'Рас—г npMwmtr альноД альтермигш
Последующие пункты меню не требуют специального поясне-
ния.
При воздействии мышью на все пункты меню, задействованные
в программе, управляющие кнопки или другие элементы, в строке
информации (нижняя строка окна) выводятся подсказки, поясня-
ющие действие того или иного элемента.
Все остальные действия с появляющимися окнами — стандарт-
ные для окон в системе Windows.
2. Используемые технические средства
Программа не критична к техническим параметрам персонально-
го компьютера — она одинаково устойчиво работает под Windows-95
и более поздними версиями. Исходные данные могут вводиться
непосредственно в поля ввода данных работающей программы.
364
Однако более удобно подготовить исходные данные заранее в любом
текстовом редакторе, сохраняющем файлы в формате Програм-
ма разработана в среде Delphy.
3. Специальные условия применения
и требования организационного, технического
и технологического характера
Работа программы не требует специальных условий примене-
ния и требований организационного, технологического и техни-
ческого характера.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ УСИЛИЙ
И ИЗМЕНЕНИЯ КОНФИГУРАЦИИ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ
ПОКОВОК ИЗ СТАЛИ 45Х
366
co
Ci
369
370
co
Усилие штамповки. Контур:
MIN =647,43тс. МАХ=129,6бтс. текущий =145,56тс.
372
1ивн
co
co
00
• Радиус поковки, мм
375
О
Ф
a
376
•Радиус поковки, мм
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анисимов Н. Ф., Благов Б. Н. Проектирование литых деталей. —
М.: Машиностроение, 1967. — 272 с.
2. Атрошенко А. П. и др. Стойкость штампов и пути ее повышения.
Изготовление деталей пластическим деформированием/Под ред. К. Н. Б о-
гоявленского, В. П. Камнева. — Л.: Машиностроение,
1975. — С. 199-214.
3. Барташев Л. В. Технолог и экономика. — М.: Машиностроение,
1983. — 152 с.
4. Беккер М. Б. Литье под давлением. — М.: Высш, шк., 1978. — 213 с.
5. Берж К. Теория графов и ее применение. — М.: Изд-во иностр,
лит., 1962. — 320 с.
6. Блюмберг В. А., Глушенко В. Ф. Какое решение лучше? Метод рас-
становки приоритетов. — Л.: Лениздат, 1982. — 160 с.
7. Богданов В. М. Штамповка деталей по элементам в мелкосерийном
производстве. — Л.: Машиностроение, 1973. — 187 с.
8. Богоявленский К. Н., Лапин В. В. Холодная раскатка кольцевых
деталей. — Л.: ЛДНТП, 1972. — 36 с.
9. Брюханов А. Н. Ковка и объемная штамповка. — М.: Машиностро-
ение, 1975. — 375 с.
10. Вайнтрауб Д. А., Клепиков Ю. М. Холодная штамповка в мелко-
серийном производстве. — М.: Машиностроение, 1975. — 219 с.
11. Васильчиков М. В. Специальные станы для прокатки заготовок
деталей машин. — М.: Машиностроение, 1971. — 34 с.
12. Влияние параметров бесслитковой прокатки на анизотропию ме-
ханических свойств полосы/М. Г. Афонькин, К. Н. Богояв-
ленский, В. Г. Борисов, В. В. Рис //Цвет, металлы. — 1977. —
№ 6. — С. 62-64.
13. Влияние холодной деформации и термообработки на коэффициенты
анизотропии полосы, полученной бесслитковой прокаткой /М. Г. Афонь-
кин, К. Н. Богоявленский, В. Г. Борисов, В. В. Рис//Цвет,
металлы. — 1977. — № 8. — С. 60-63.
14. Гостев В. И. Качество штампованных поковок и методы предуп-
реждения брака в кузнечных цехах. — М.: Машиностроение, 1975.
15. Исаченков Е. И. Контактное трение и смазка при обработке метал-
лов давлением. — М.: Машиностроение, 1978. — 208 с.
16. Камнев П. В. Организация и планирование производства в куз-
нечных цехах. — Л.: Машиностроение, 1980. — 95 с.
17. Ковка и объемная штамповка стали: Справ. / Под ред. М. В. Ст о-
р о ж е в а. — М.: Машиностроение, 1967. — 436 с.
18. Койтер В. Т. Общие теоремы теории упругопластических сред.
В кн.: Успехи механики тверд, тела. — Т.1. / Под ред. И. Снеддока
и Р. X и л л а. — М.: Изд-во иностр, лит., 1961.
19. Кокильное литье: Справ, пособие. — М.: Машиностроение, 1967. —
460 с.
20. Копысский Б. Д., Охрименко Я. М. Исследование силовых условий
безоблойных штампов//Кузнеч.-штамповоч. пр-во. — 1962. — № 12. —
С. 18-21.
21. Коротков А. И., Полевая А. М. Литье в оболочковые формы. — М:
Машгиз, 1963. — 299 с.
378
22. Кудрявцев Л. В., Королева Н. С. Опыт изготовления деталей мето-
дами холодного выдавливания и сферодвижной штамповки. — Л.:
ЛДНТП, 1981.
23. Литье по выплавляемым моделям. Технология изготовления. —
РТМ 3-72-73. — 53 с.
24. Литье по выплавляемым моделям/Под ред. Я. И. Ш к л е н и к а,
В. А. Озерова. — М.: Машгиз, 1961. — 455 с.
25. Магницкая М. В. Производство заготовок. — Л.: СЗПИ, 1978. —
48 с.
26. Магницкая М. В. Производство заготовок. — Л.: СЗПИ, 1979. —
46 с.
27. Магницкий О. Н., Афонькин М. Г., Ярков А. С. Выбор способа по-
лучения заготовок в машиностроении: Методика. — Л.: НТЦ «Информ-
техника», 1990. — 30 с.
28. Метод расчета усилий при штамповке низких поковок сложной
конфигурации с помощью вычислительной техники. В кн: Изготовление
деталей пластическим деформированием/Под ред. К. Н. Богоявлен-
ского, П. В. Камнева. — Л.: Машиностроение, 1975.
29. Митрофанов С. П. Научные основы групповой технологии. — Л.:
Лениздат, 1969. — 180 с.
30. Моисеев М. П. Экономика технологичности конструкций. — М.:
Машиностроение, 1981. — 253 с.
31. Направления развития и проблемы горячей объемной штампов-
ки//Кузнеч.-штамповоч. пр-во. — 1981. — №8. — С. 13-16.
32. Окерблом Н. О., Демьяцевич В. П., Бойкова И. П. Проектирование
технологии изготовления сварных конструкций. — Л.: Судпромгиз,
1963. — 602 с.
33. Оптовые цены на отливки, поковки и горячие штамповки. Прей-
скурант № 25-01. — М.: Прейскурантиздат, 1981. — 159 с.
34. Особенности формирования макроструктуры заготовки при
бесслитковой прокатке и механические свойства получаемой полосы/
М. Г. Афонькин, В. В. Чижиков, Р. А. Иванов, В. Г. Бо-
рнео в//Цвет. металлы. — 1976. — № 4. — С. 61-63.
35. Охрименко Я. М. Технология кузнечно-штамповочного производ-
ства. — М.: Машиностроение, 1976. — 560 с.
36. Принципы легирования и радиационное распухание/А. М. Пар-
шин, В. Б. Звягин, И. Е. Колосов и д р.//Металлы. — 1993. —
№ 3. — С. 73-77.
37. Паршин А. М., Звягин В. Б. Структурно-принудительная рекомби-
нация и особенности радиационного распухания аустенитных сталей и
сплавов//Металлы. — 2003. — № 2. — С. 44-49.
38. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ, руководство. — М.:
Металлургия, 1970. — 416 с.
39. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюми-
ниевые сплавы: Справ, руководство / Под ред. Ф. И. Квасова,
И. Н. Фридляндера. — М.: Металлургия, 1972. — 552 с.
40. Радченко Ю. С. Ротационное обжатие. — М.: Машиностроение,
1972. — 176 с.
41. Развитие процессов раскатки и сферодвижной штамповки /
К. М. Богоявленский, В. В. Лани н// Кузнеч.-штамповоч. пр-
во. — 1981. — № 8. — С. 24-27.
42. Романовский В. П. Справочник по холодной штамповке. — Л.:
Машиностроение, 1979. — 520 с.
379
43. Свойства лент из алюминиевых сплавов, полученных на роторной
литейной машине /М. Г. Афонькин, К. Н. Богоявленский,
В. Г. Б о р и с о в, В. В. Р и с//Цвет. металлы. — 1974. — № 10. —
С. 55-57.
44. Семенов Е. И. Ковка и объемная штамповка. — М.: Высш, шк.,
1972. — 252с.
45. Сенченко В. Т. Конструирование и производство технологичных
отливок. — Л.: СЗПИ, 1979. — 44 с.
46. Симонов А. А., Фингер М. Л. Применение методов пластического
деформирования при изготовлении зубчатых колес и шлицев // Техноло-
гия автомобилестроения. — 1981. — № 3. — С. 15-19.
47. Специальные виды литья / Ю. А. Степанов, М. Г. Анучи-
на, Г. Ф. Баландин и др. — М.: Машиностроение, 1970. — 223 с.
48. Теория выбора и принятия решений: Учеб, пособие. — М.: Наука,
1982. — 328 с.
49. Тетерин Г. П., Полухин П. И. Основы оптимизации и автоматиза-
ции проектирования технологических процессов горячей объемной штам-
повки. — М.: Машиностроение, 1979. — 284 с.
50. Фиглин С. 3., Бойцов В. В., Калпин Ю. Г. Изотермическое дефор-
мирование металлов. — М.: Машиностроение, 1978. — 239 с.
51. Центробежное литье / С. Б. Юдин, М. М. Левин, С. Е. Ро-
зенфельд и др. — М.: Машиностроение, 1972. — 279 с.
52. Штамповка жидкого металла / А. И. Батышев, Е. М. Бази-
левский, В. И. Бобров и др. — М.: Машиностроение, 1979. — 200с.
53. Штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах и го-
ризонтально-ковочных машинах /А. П. Атрошенко, Е. П. Булат,
В. Д. С п и р и н и др.; под общ. ред. П. В. К а м н е в а, А. П. А т-
рошенко. — Л.: Машиностроение, 1983 (Б-ка кузнеца-новатора).
54. Штамповка на молотах, фрикционных и гидравлических прессах
/А. П. Атрошенко, Е. П. Булат, Б. П. Рудаков и др.; под
общ. ред. П. В. Камнева, А. П. Атрошенко. — Л.: Машиностро-
ение, 1982 (Б-ка кузнеца-новатора).
55. Штамповка поковок выдавливанием / А. П. Атрошенко,
Я. М. Дитятковский, Р. Е. Пигаревский и др. — Л.:
ЛДНТП, 1979. — 35 с.
56. Штамповка поковок выдавливанием в разъемных матрицах
/А. В. Кузнецов, О. В. Протопопов, В. Т. Клочков и
др.//Кузнеч.-штамповоч. пр-во. — 1980. — № 11. — С. 2-6.
57. Штамповка точных поковок в штампах с разъемными матрицами
/А. М. Шукало в, О. С. Кошелев, В. С. Нестеро в//Кузнеч.-
штамповоч. пр-во. — 1980. — № 5. — С. 38-39.
58. Штампы для горячего деформирования металлов. // Под ред.
М. А. Т ы л к и н а. — М.: Высш, шк., 1977.
59. Экономия черных металлов на предприятиях тяжелого и транс-
портного машиностроения: Обзор, информ. 14-82-30. — М.: ЦНИИТЭИ-
тяжмаш, 1982. — 44 с.
60. Computers in materials technologu // Proc. Int. Conf. Linkoping. —
June 4-5. 198. — Ed. Ericsson T. Oxford e.a.: Pergamon Press. — 1981. —
X. — 224 p.
61. Konig J. A. Projektowaniu Konstrukcji. z uwxglednicniem przysto-
sowanie v przypolku gdy stale speziste zaleza od temperatury. — Rozprawy
inzynierskie. — 1972. — 20. — N 3. — PP. 423-434.
62. Prager W. Britisch Welding J., 3 (1956). — № 8. — P. 355-359,
рус. пер.: Механика. — 1957. — N 3, 43. — P. 104-111.
Афонькин Михаил Григорьевич
Звягин Владимир Борисович
ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК В МАШИНОСТРОЕНИИ
Заведующая редакцией Е. В. Шарова
Редактор М. И. Козицкая. Технический редактор Т. М. Жилич
Переплет художника М. Л. Черненко
Корректоры 3. С. Романова, Е. П. Смирнова, Т. Н. Гринчук
Оператор Г. А. Мирзоева
Сдано в набор 22.12.2006. Подписано в печать 07.06.2007.
Формат издания 60x90’/16. Бумага офсетная. Гарнитура SchoolBook.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 24,0. Уч.-изд. л. 22,3.
Тираж 1000. Заказ № 1506.
ОАО «Издательство „Политехника”».
191023, Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6.
Отпечатано в ГУП РК «Республиканская типография им. П. Ф. Анохина
185005, г. Петрозаводск, ул. «Правды», д. 4.