Важнейшие технологические процессы сборочного производства в машиностроении

Сборочное производство является заключительным этапом изготовления машин в машиностроении.

Машина — это устройство, созданное человеком и выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью частичной или полной замены или облегчения физического или умственного труда человека, увеличения его производительности.

Различают следующие классы машин в зависимости от выполняемых функций:

• технологические (рабочие или машины-орудия), осущес
твляющие изменение формы, размеров, свойств, состояния и
положения предмета труда.

К ним относят металлорежущие станки, прокатные станы, молоты, прессы, литейное оборудование, строительные, горные, сельскохозяйственные, текстильные машины и др.;

• энергетические, предназначенные для преобразования
энергии. Энергетические машины подразделяют на маши
ны-двигатели и машины-преобразователи.

Машины-двигатели преобразуют энергию любого вида (электрическую, тепловую и т.д.) в механическую. К ним относят электродвигатели, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, турбины.

Машины-преобразователи трансформируют механическую энергию в энергию любого вида. К ним относят электрогенераторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и другие устройства;

• транспортные (автомобили, самолеты, тепловозы, теплоходы и др.) и транспортирующие (конвейеры, элеваторы, грузоподъемные краны, подъемники и др.). Все эти машины преобразуют механическую энергию в энергию перемещения масс;

• информационные, предназначенные для получения, переработки и использования информации (ЭВМ и вычислительные устройства, шифровальные машины, машинные интеграторы и др.). Механические движения в них служат для выполнения вспомогательных операций. Устройства данного класса не яв-

ляются машинами, их название сохранилось в порядке преемственности от простых счетных машин.

Каждая современная машина состоит из трех основных механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного.

Двигательный механизм, или привод, приводит машину в действие. Устройство привода может быть механическим, с использованием электродвигателей, гидравлическим или пневматическим. В транспортных средствах широко используются двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные, инжекторные, дизельные). Появившиеся первыми паровые двигатели стали уже историей.

Передаточный механизм, или передача, — совокупность ус^ тройств для передачи движения от двигательного к исполнит тельному механизму машины и их регулирования (редукторы, коробки передач и др.).

Различают передачи механические, гидравлические, пневматические и электронные.

Исполнительный механизм определяет целевое назначение машины, он производит работу, воздействуя на предмет труда.

Технологический процесс сборки характеризуется последовательным соединением и фиксацией всех деталей, составляющих ту или иную машину, и состоит из ряда отдельных операций, основными из которых являются операции соединения сопрягаемых элементов изделия. Последовательность сборочных операций определяется, прежде всего, конструктивными особенностями машины, а также типом производства (единичное, серийное, массовое).

Сборка также включает электромонтажные работы, испытания (механические, электрические, химические), операции контроля правильности действия всего изделия или его отдельных узлов (например, обкатка собранного автомобиля).

В сборочном производстве выделяют следующие основные виды сборки:

• сборка по принципу индивидуальной пригонки, когда детали изготавливаются невзаимозаменяемыми и не являются стандартизированными. Такая разновидность сборки применяется в единичном производстве;

• сборка по принципу ограниченной взаимозаменяемости, когда изделие состоит одновременно из невзаимозаменяемых и стандартизированных деталей. Такая разновидность сборки характерна для серийного производства;

• сборка по принципу полной взаимозаменяемости, когда отсутствует пригонка деталей друг к другу, а любая дефектная

деталь может быть заменена на аналогичную. Такая разновидность сборки характерна для массового типа производства.

В сборочном производстве различают две организационные формы сборки:

• стационарную, при которой готовое изделие полностью собирают на одном месте, к которому последовательно подаются все детали, узлы и сборочные единицы. Стационарную сборку используют, как правило, при изготовлении несложных или крупногабаритных изделий, а также в условиях единичного и мелкосерийного производства;

• подвижную, когда собираемое изделие последовательно перемещается но рабочим местам, на каждом из которых выполняется определенная сборочная операция. Подвижную сборку осуществляют с помощью непрерывного или периодически останавливающегося сборочного конвейера и используют преимущественно в массовом или крупносерийном производстве.

Базовыми элементами сборочного производства являются детали, узлы, сборочные единицы, комплексы, комплекты.

Деталь — часть машины, изготовленная из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.д.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.д.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы.

Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, соединенных между собой сборочными операциями и имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т.д.).

Признаком узла является обособленность его сборки от сборки других элементов машины.

Сборочная единица представляет собой сложный узел, который может включать несколько простых узлов (подузлов). Например, редуктор состоит из подшипников, валов с насаженными на них зубчатыми колесами и т.д.

Комплекс (от лат. complexus — связь, сочетание) — два и более изделия, не соединенных сборочными операциями, но представляющих собой единую техническую систему, предназначенную для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (например, компьютер с периферийными устройствами).

Комплект — набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (например, комплект инструментов к автомобилю).

Особенности сборочного производства связаны с большим объемом вспомогательных работ, удельный вес которых в об-

щей трудоемкости сборки зависит от вида производства и технологических методов сборочного процесса, составляя в единичном, мелкосерийном, серийном, крупносерийном и массовом производстве 40—50, 30—35, 20—25 и менее 20 % соответственно. Организационные формы сборки, их эффективность и технико-экономическая оценка также взаимосвязаны с типом производства. Эти обстоятельства определяют специфику технологического оснащения сборочного производства.

При сборке основным видом работ является осуществление различных соединений и сопряжений деталей. Использование данных технологических операций дает возможность получать разъемные и неразъемные, подвижные и неподвижные соединения и сопряжения двух или нескольких деталей (или узлов), что осуществляется использованием различных типов технологического оборудования и оснастки.

К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей.

К разъемным соединениям относят, в частности, резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые и клиновые. Резьбовые соединения могут осуществляться либо с применением крепежных деталей (винтов, шурупов, болтов, гаек), либо выполнением резьбы на соединяемых деталях. Штифтовые соединения применяются для точной фиксации сопрягаемых деталей, а шпоночные и шлицевые — преимущественно для передачи вращательного движения в механизмах машины.

Остальные соединения относят к неразъемным, которые в свою очередь подразделяются на две группы. В первую группу входят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления (например, изготовленные прессованием, развальцовкой, отбортовкой). Они используются, как правило, при сборке готовых деталей. Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, клепки, склеивания. Рассмотрим подробнее эти важнейшие технологические процессы получения неразъемных соединений.

Сварка— технологический процесс образования неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами соединяемых тел.

Наиболее часто получают методом сварки заготовки сложной конфигурации и крупногабаритные, состоящие из нескольких частей.

Применение сварных заготовок обеспечивает значительную экономию металла и уменьшение их массы по сравнению с заготовками, полученными ковкой или литьем, а также снижение трудоемкости изготовления. Сварные соединения часто обеспечивают большие прочность и надежность при эксплуатации по сравнению с другими видами неразъемных соединений. Сварку можно применять в сочетании с другими процессами, например со штамповкой. Комбинированные методы (штамповка — сварка) обеспечивают изготовление заготовок сложной формы, близких по размерам к готовым деталям, при снижении расхода металла и уменьшении трудоемкости последующей обработки.

В зависимости от вида энергии, используемой для образования сварных соединений, условно выделяют следующие виды сварки: термическая (сварка плавлением), механическая (сварка давлением) и термомеханическая (комбинированная).

Термической называется сварка, осуществляемая плавлением свариваемых изделий с использованием тепловой энергии (электродуговая, плазменно-лучевая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, индукционная, газовая, термитная и др.).

При использовании термической сварки металл на кромках соединяемых частей доводится до полного расплавления, перемешивается и после охлаждения образует сварное соединение. Способ сварки плавлением получил наибольшее распространение.

Одними из наиболее распространенных технологических процессов в машиностроении и строительстве являются электродуговая и газовая сварка.

Электродуговая сварка возможна при переменном и постоянном токе. Электрическая энергия подается в сварочную дугу от специального устройства — источника тока, или источника питания. Для плавления кромок свариваемых деталей при электродуговой сварке используется электрическая дуга, которая может обеспечить высокую температуру (до 6000 ° С) и большую силу тока в зоне разряда. Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах. Применяются токи от 1 до 3000 А при напряжении 10—50 В. Мощность можно изменять от 0,01 до 150 кВт, что позволяет выполнять электродуговую сварку металлов с различной температурой плавления и разной толщины.

Электродуговая сварка выполняется плавящимися металлическими (по способу Славянова) и неплавящимися графитовыми или вольфрамовыми электродами (по способу Бенардоса).

Неплавящиеся электроды служат только для поддержания горения дуги, которая расплавляет кромки свариваемых дета-

лей, образуя сварной шов. При сварке деталей большой толщины дополнительно применяют присадочный материал в виде проволоки, химический состав которого должен соответствовать составу металла свариваемых частей. Присадочная проволока расплавляется в зоне горения дуги и переходит в металл сварного шва. Сварка неплавящимися графитовыми электродами осуществляется только на постоянном токе.

Плавящиеся электроды служат для поддержания горения дуги и являются дополнительным присадочным материалом для образования сварного шва. Плавящиеся электроды для ручной сварки изготовляют из специальной сварочной проволоки, близкой по химическому составу к металлу свариваемых деталей. Их выпускают с покрытием (обмазкой), которое служит для защиты расплавленного металла от насыщения его кислородом и азотом, создания устойчивости горения дуги, обеспечения легирования металла сварного шва и придания ему свойств, близких к свойствам основного металла.

Газовая сварка — сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых при выходе из горелки для газовой сварки. Данный способ отличается простотой и дешевизной оборудования и применяется для сварки углеродистых и легированных сталей небольшой толщины (до 3 мм), чугуна, цветных металлов и сплавов; наплавки твердых сплавов на режущий инструмент; при ремонтных работах; прокладке, соединении и монтаже труб и трубопроводной арматуры; заварке трещин и ремонте литых изделий из чугуна, бронзы, силумина; для сварки сосудов и резервуаров небольшой емкости и др.

При газовой сварке для расплавления кромок свариваемых заготовок и присадочной проволоки используют теплоту, выделяемую при сгорании газа (ацетилена, водорода, пропана, природного газа и др.) в кислороде. Наиболее часто применяется ацетилен, обладающий высокой теплотой сгорания и дающий наибольшую температуру пламени (3150 °С).

Газовое пламя обеспечивает плавление металла, а также его восстановление, науглероживание или окисление. Получение того или иного вида пламени достигается за счет изменения соотношения горючего газа и кислорода в смеси. Для заполнения металлом сварного шва дополнительно используют присадочную проволоку.

Газовый метод сварки значительно меньше распространен, чем электрические, так как наличие кислорода в пламени ухудшает механические свойства металла и качество сварного шва. Газовая сварка уступает другим ее методам и по производитель-

ности. Этот процесс плохо поддается автоматизации и выполняется в основном вручную.

Наибольшее применение газовая сварка находит при ремонтных работах, а также в местах, где отсутствуют источники электрического тока.

Технологические особенности лазерной сварки будут рассмотрены в параграфе 15.4.

При механической сварке используются механическая энергия и давление (холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая и др.).

Холодная сварка выполняется за счет механической энергии сжатия. Сварное соединение образуется в результате пластической деформации и возникновения межатомных связей между сдавливаемыми поверхностями при их соединении. Для возникновения этих связей необходимо, предварительно очистив поверхности от оксидов и загрязнений, приложить к ним силу сжатия, превышающую предел текучести свариваемого материала. Удельные давления, выбираемые в зависимости от химического состава и толщины свариваемых заготовок, находятся в пределах 150—1000 мПа. При таких давлениях металл течет, и на стыке поверхностей образуется сварное соединение. В результате пластической деформации в месте приложения силы толщина заготовок уменьшается, происходят их упрочнение и наклеп поверхностей.

Данным методом можно сваривать внахлестку листовой материал толщиной 0,2—15 мм, встык тонкую проволоку, полые заготовки по контуру.

Сварку трением применяют для получения стыковых соединений. Заготовки при этом плотно прижимают друг к другу, и одну из них приводят во вращательное движение. В результате механического и теплового воздействия при трении металл переходит в пластическое состояние. После этого прикладывают осевую силу сжатия. Сварное соединение образуется за счет диффузии атомов в контактирующих поверхностях. Оксидные пленки, препятствующие диффузии, разрушаются трением и удаляются из зоны сварки.

Данный метод обеспечивает высокое качество соединений. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы. Этот способ нашел применение в промышленности при изготовлении составных режущих инструментов, валов, штампов и т.д.

Технологические особенности ультразвуковой сварки будут рассмотрены в параграфе 15.5.

Термомеханическая сварка осуществляется с использованием тепловой энергии и давления (электрическая контактная,

диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, печная и др.).

В настоящее время наиболее распространена электрическая контактная сварка. При ней свариваемые заготовки предварительно нагреваются электрическим током большой плотности, проходящим через их поверхности. Сила тока достигает сотен и тысяч ампер, происходит интенсивное выделение теплоты в месте контакта свариваемых поверхностей, в силу чего металл переходит в пластичное, а иногда и расплавленное состояние. После этого ток отключают и осуществляют сжатие свариваемых заготовок, способствующее взаимодействию атомов металлов и образованию сварного соединения.

Надежность и высокое качество сварного соединения, высокий уровень механизации и автоматизации процесса, обеспечение высокой производительности труда позволяют широко использовать электроконтактную сварку в промышленности. Этим методом получают более 30 % сварных соединений. Более широко применяется лишь электродуговая сварка.

Различают три основных вида электрической контактной сварки: стыковую, точечную и шовную.

По степени механизации процессор различают ручную, механизированную, автоматизированную и автоматическую сварку; по непрерывности процесса — непрерывную и прерывистую; по способу защиты металла в зоне сварки — сварку в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, в пене, с комбинированной защитой.

Выбор способа сварки зависит от многих факторов: химического состава стали и ее состояния, формы и размеров сборочной единицы, толщины свариваемых элементов, количества изделий в конструкции и др.

Технико-экономические показатели различных способов сварки колеблются в широких пределах и зависят от множества факторов, среди которых основными являются свойства металла свариваемых элементов, толщина листов, форма соединения и положение его в пространстве, метод сварки, способ защиты шва, степень механизации и автоматизации процесса, тип сварочного оборудования и т.д.

Пайка— процесс соединения заготовок, выполненных из металлов и неметаллических материалов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного материла, называемого припоем.

Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного материала. Неразъемное соединение образуется в результате растворения припоя, смачивания и вза-

имной диффузии припоя и основного материала. Пайка не вызывает значительного коробления и окисления поверхностей соединяемых заготовок. Для взаимной диффузии необходимо, чтобы спаиваемые поверхности были очищены от оксидов и загрязнений, а жидкий припой и основной металл защищены от окисления. С этой целью при пайке используют различные флюсы.

Процесс пайки заключается в нагреве паяемых заготовок и расплавлении припоя. Для получения соединения высокого качества температура нагрева заготовок в зоне шва должна быть на 50—100 ° С выше температуры плавления припоя. Нагрев заготовок и расплавление припоя в зависимости от его вида производят медными паяльниками, газовыми горелками, электрическим током в печах, индукционным током, а также в печах-ваннах с расплавами солей.

Пайку применят главным образом для сборки изделий и сборочных единиц, реже — для изготовления отдельных деталей. Паять можно заготовки из углеродистой или легированной стали всех марок, твердых сплавов, чугунов, редких металлов и их сплавов. Данным способом можно также соединять разнородные материалы. Пайка металлов с неметаллами — кварцем, стеклом, керамикой, полупроводниками — вызывает трудности и требует применения особых технологических процессов.

Преимуществами пайки являются достаточная прочность и чистота соединения, отсутствие оплавления металла, сохранение формы и размеров изделия, возможность механизации и автоматизации процесса.

Кленка — процесс создания неразъемного соединения с помощью заклепок — стержней круглого сечения, устанавливаемых в совмещенные отверстия соединяемых деталей. Затем выступающие концы (головки) клепок деформируются (расклепываются), и клепки стягивают соединяемые детали.

Технология клепки в настоящее время практически не используется, а клепаные конструкции применяются главным образом в сооружениях, испытывающих значительные динамические нагрузки (железнодорожные мосты и т.д.).

Склепывание осуществляется пневматическими и электрическими молотками, электромеханическими, пневматическими и пневмогидравлическими прессами и машинами.

Несмотря на достаточно высокую прочность соединения, основным недостатком технологии кленки является завышение металлоемкости конструкции из-за большого количества отверстий под заклепки, а также низкие технологичность и производительность процесса.

В настоящее время при сборке получает все более широкое распространение склеивание (клеевая технология).

Клей — композиция на основе веществ, способных соединять (склеивать) материалы. Действие клея основано на образовании между ним и склеиваемыми материалами адгезионной (межмолекулярной) связи, способствующей образованию неразъемного соединения.

Наиболее эффективно применение склеивания вместо клепки. Преимущества клеевых соединений в этом случае состоят в снижении трудоемкости, отсутствии выступов на наружных поверхностях, обеспечении герметичности, экономии материала. В некоторых случаях, например для соединения деталей из неметаллических материалов малой толщины, склеивание является одним из самых надежных способов получения неразъемного соединения. Наиболее часто склеивают те материалы, которые теряют свои свойства при нагревании и сдавливании.

Склеивание применяется для соединения поверхностей из пластмасс, стекла, керамики, легких сплавов (алюминиевых, магниевых).

Технологический процесс получения клеевого соединения состоит из следующих этапов: подготовка поверхностей, нанесение клея, склеивание при определенных температурах, давлении и времени выдержки, очистка соединения и контроль качества.

В зависимости от материала и конструктивных особенностей соединяемых частей применяют различные клеи. Вид и качество применяемого клея оказывают большое влияние на механическую прочность соединения. Для органических клеев из синтетических полимеров (например, полиэфирных, эпоксидных, феноло-формальдегидных смол) характерны высокая прочность склеивания и стойкость в различных средах. Клеи из природных полимеров (например, коллагена, альбумина, каме-дей, крахмала) отличаются невысокой устойчивостью к действию воды и микроорганизмов. К неорганическим клеям относятся керамические, силикатные и др. Клеи могут быть жидкими (например, растворы, эмульсии) и твердыми (пленки, порошки, прутки). Последние расплавляют перед употреблением или наносят на нагретые поверхности.

Оборудование сборочных цехов можно условно разделить на три группы:

• основное (технологическое): непосредственно для выполнения работ по осуществлению различных сопряжений деталей, их регулировке и контролю в процессе узловой и общей сборки.

Для облегчения труда и увеличения производительности применяют различные средства механизации и автоматизации

сборочных работ: механизированные инструмент, приспособления, а также сборочные автоматизированные станки;

• вспомогательное: для механизации вспомогательных ра
бот, объем которых при сборке достаточно велик. Включает в
себя транспортное, подъемное, установочное и другое оборудо
вание, применение которого снижает затраты времени на сбо
рочные работы, увеличивает производительность, облегчает
труд сборщиков, повышает эффективность и технико-экономи
ческие показатели сборочного производства;

• дополнительное: для обеспечения санитарно-гигиениче
ских условий труда работников (машины и оборудование для
очистки воздуха и газов (вытяжные зонты, вентиляторы, возду
ходувки и др.).

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой машиностроительный комплекс? Какую основную продукцию он производит?

2. Выделите главные направления научно-технологического прогресса в машиностроении. Дайте им характеристику.

3. Что представляет собой производственный процесс в машиностроении? Какие элементы входят в его состав?

4. Какие производства выделяют в машиностроении? Дайте им краткую характеристику.

5. Из каких трех этапов состоит основное производство в машиностроении? Дайте им краткую характеристику.

6. Выделите характерные технологические особенности машиностроительного производства. Чем они обусловлены?

7. Дайте характеристику важнейшим направлениям научно-технологического прогресса в машиностроении.

8. Дайте общую характеристику важнейшим технологическим
процессам заготовительного производства в машиностроении. Что
объединяет эти процессы? Чем они отличаются друг от друга?

9. Дайте общую характеристику важнейшим технологическим ме
тодам обработки давлением. Что объединяет эти процессы? Чем они
отличаются друг от друга?

10. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию обработки материалов давлением.

11. Дайте общую характеристику важнейшим технологическим процессам литейного производства в машиностроении. Что объединяет эти процессы? Чем они отличаются друг от друга?

12. Дайте характеристику технологии литья в песчано-глинистые формы. Каковы ее технологические особенности, достоинства и недостатки по сравнению с другими методами?

13. Какие способы литья относят к специальным? Почему они получили такое название? Дайте им характеристику.

14. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию литейного производства.

15. Что представляет собой точность обработки и шероховатость поверхности деталей в машиностроении? От чего они зависят? Каким образом определяются?

16. В чем заключается сущность обработки материалов резанием? Какие движения для нее характерны?

17. Какие разновидности способов обработки резанием вам известны? Дайте им краткую характеристику.

18. Что такое режим резания? Из каких элементов он состоит? Дайте им краткую характеристику.

19. Что представляют собой специальные методы обработки деталей? Каковы их достоинства и недостатки по сравнению с традиционными методами обработки?

20. Дайте общую характеристику оборудованию машиностроительного производства.

21. Дайте характеристику важнейшим технологическим процессам термической обработки. Что их объединяет? Чем они отличаются друг от друга?

22. В чем заключается сущность технологического процесса химико-термической обработки? Какие явления лежат в его основе?

23. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию термических цехов.

24. Что такое машина? Из каких основных элементов она состоит? Каково их назначение? Приведите классификацию машин.

25. В чем заключается сущность технологического процесса сборки? Какие виды и организационные формы сборки вам известны? Дайте им краткую характеристику.

26. В чем состоит сущность технологического процесса сварки? Каковы достоинства и недостатки данной технологии?

27. Какие виды сварки в зависимости от вида используемой энергии применяются в машиностроении? Дайте им краткую характеристику.

28. Какие виды электродуговой сварки используются в машиностроении? Дайте им краткую характеристику,

29. В чем заключается сущность технологического процесса пайки? Каковы его достоинства и недостатки по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений?

30. В чем заключается сущность технологического процесса клепки? Каковы его достоинства и недостатки по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений?

31. В чем заключается сущность клеевой технологии? Каковы ее достоинства и недостатки по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений?

32. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию сборочного производства.