ДЕТАЛЬ КАК ОБЪЕКТ ПРОИЗВОДСТВА 1 страница

Под технологией машиностроения принято понимать учение о процессах изготовления деталей и сборки из них машин и механизмов.

Процесс изготовления машин или механизмов состоит из комплекса работ, необходимых для производства заготовок, их обработки, сборки из готовых деталей узлов и, наконец, сборки готовых машин.

Совокупность отдельных процессов, связанных с переработкой сырья и полуфабрикатов в заготовки, готовые детали, узлы и механизмы на данном предприятии, называется производственным процессом.

В производственный процесс входят не только процессы, непосредственно связанные с изменением форм и свойств материала изготовля­емых деталей и сборки из них машин и механизмов, но и все вспомога­тельные процессы, обеспечивающие производственный процесс в целом (межцеховой транспорт, изготовление и заточка инструмента, ремонт оборудования, технический контроль и т. д.).

Технологический процесс обработки - это часть производственного процесса, непосредственно связанная с изменением размеров, формы или свойств материала обрабатываемой заготовки, выполняемая в опре­деленной последовательности. В результате этой обработки формируется деталь.

1.1. Основные требования к детали

Деталью называется элемент изделия, изготовленный из однородного по наименованию и марки материала без применения сборочной операции. Детали могут быть простыми (болт, гайка) или сложными (коленчатый вал, корпусная деталь).

Совершенство конструкции детали оценивают по ее надежности и экономичности. Надежность – свойство детали сохранять свою форму и размеры в заданных пределах в процессе эксплуатации в течение заданного времени. Экономичность определяется стоимостью материала и затратами на производство и эксплуатацию.

Деталь представляет собой совокупность поверхностей, имеющих различную форму и функциональное назначение. По форме поверхности детали могут быть цилиндрическими, плоскими, коническими, сферическими или состоять из сочетания нескольких поверхностей.

По функциональному назначению поверхности могут быть рабочими или исполнительными, а также соединительными. Рабочие поверхности, как правило, контактируют с рабочими поверхностями других деталей или с жидкой, газовой или другой средой. Опыт эксплуатации машин, приборов, аппаратов убедительно показывает, что качество, надежность, долговечность зависят от характера контактирования сопрягаемых деталей.

В конечном счете долговечность и надежность машины определяется долговечностью и надежностью составляющих ее деталей, которые в свою очередь предопределяются материалом детали и качественно-точностными характеристиками ее основных поверхностей.

1.2. Точность обработки

1.2.1. Факторы, определяющие точность обработки

Сравнивая две детали - реальную и заданную чертежом, можно установить, что они различаются. Это различие определяется несовершенством изготовления реальной детали, а степень различия характеризует точность обработки.

Точностью называется степень соответствия изготовленной детали заданному эталону или образцу. Нормирование точности производится по 20 квалитетам: 01, 0, 1, 2, …18. Каждый квалитет характеризует свою меру точности. Квалитеты с 01 по 3 используются в исключительных случаях. Наиболее ответственным деталям соответствуют с 4 по 8 квалитеты. По мере увеличения номера квалитета его точность уменьшается.

В большинстве случаев конфигурация деталей определяется комбинацией геометрических тел, ограниченных поверхностями простейших форм: плоскими, цилиндрическими, коническими и т. д. Поэтому можно установить следующие основные признаки соответствия реальной детали заданной:

- точность формы, т. е. степень соответствия отдельных участков (поверхностей) детали тем геометрическим телам, с которыми они отождествляются;

- точность размеров участков (поверхностей) детали;

- точность взаимного расположения тех же участков поверхностей;

- степень шероховатости поверхности, т. е. степень соответствия реальной шероховатой поверхности детали геометрической поверхности.

Отклонения от формы и взаимного расположения поверхностей подразделяются на:

- отклонения от правильной цилиндрической формы в поперечном сечении — овальность и огранка, а в продольном — бочкообразность, седлообразность, изогнутость, конусообразность;

- отклонения от плоской поверхности — непрямолинейность, неплоскостность, вогнутость, выпуклость;

- отклонения от правильного взаимного расположения поверхно­стей — несоосность, радиальное биение, торцевое биение, непарал­лельность осей, неправильное расположение пересекающихся осей, непараллельность и неперпендикулярность плоскостей.

Отклонения формы: овальность характеризуется раз-ностью наибольшего и наименьшего диаметров в одном поперечном сечении (рис.1.1,а).

Огранкой называется разность между диаметром окружности, в которую полностью вписывается контур сечения, и расстоянием между параллельными плоскостями, касательными к поверхности детали (рис. 1.1,б). Огранка отличается тем, что контур поперечного сечения детали составлен из сопряженных дуг разных радиусов.

Бочкообразность (рис. 1.1,в) и седлообразность (рис. 1.1,г) характеризуются разностью диаметров средних и крайних сечений детали

Изогнутость — непрямолинейность геометрического места центров поперечных сечений цилиндрической поверхности определяется стрелкой прогиба оси цилиндра или его образующих (рис. 1.1,д):

Конусообразностью называется отклонение от параллельности обра­зующих, определяемое отношением разности диаметров двух попереч­ных сечений детали к расстоянию между ними (рис. 1.1, е).

Рис. 1.1. Отклонения от правильной цилиндрической формы

в поперечном и продольном сечении:

а - овальность; б - огранка; в - бочкообразность;

г - седлообра­зность; д - изогнутость; е - конусообразность

Непрямолинейность плоской поверхности определяется сечением ее в заданном направлении нормальной к ней плоскостью Л, как рас­стояние ∆ между прямыми, где помещается профиль сечения проверя­емой поверхности (рис. 1.2, а).

Неплоскостность определяется расстоянием ∆ между двумя взаимно параллельными плоскостями А и В, между которыми располагается профиль сечения проверяемой поверхности нормальной к ней плоско­стью В (рис.1.2, б).

Элементарными видами непрямолинейности и неплоскостности являются вогнутость и выпуклость.

Вогнутость (рис. 1.2, в) — отклонение, при котором удаление точек профиля от прилегающей плоскости увеличивается от краев к середине.

Выпуклость (рис. 1.2, г) — отклонение, при котором удаление точек профиля от прилегающей плоскости уменьшается от середины к краям.

Отклонения расположения: непараллельность (откло­нения от параллельности) плоскостей — разность наибольшего и наи­меньшего расстояний между прилегающими плоскостями на заданной площади или длине (рис. 1.3, а).

Рис. 1.2. Отклонения формы плоской по­верхности:

а - непрямолинейность; б - неплоскостность (профиль сечения поверхности заштрихован); в - вогнутость; г - выпуклость

Непараллельность (отклоне­ние от параллельности) прямых в плоскости - разность наиболь­шего и наименьшего расстояний между прилегающими прямыми по заданной длине (рис. 1.3, б).

Непараллельность (отклонение параллельности) осей по­верхностей вращения (или прямых в пространстве — непарал-лельность проекций осей на их общую теоретическую плоскость, проходящую через одну ось и од­ну из точек другой оси (рис. 1.3, в)

Перекос осей (или прямых в пространстве) — непараллельность проекции осей на плоскость, перпендикулярную к общей теорети­ческой плоскости и проходящую через одну из осей (рис. 1.3, в).

Рис. 1.3. Отклонения от правильного взаимного расположения поверхностей

Непараллельность (отклонение от параллельности) оси вращения и плоскости - разность наибольшего и наименьшего расстоя­ния между прилегающей плоскостью и осью поверхности вращения на заданной длине (рис. 1.3, г).

Неперпендикулярность (отклонение от перпендикулярности) плоскостей, осей или оси и плоскости — отклонение угла между пло­скостями, осями или осью и плоскостью от прямого угла (90°), выра­женное в линейных единицах на заданной длине (рис. 1.3, д). 0тклонение от перпендикулярности определяется от прилегающих поверхностей или линий.

Торцевое биение - разность наибольшего и наименьшего расстоя­ния от точек реальной торцевой поверхности, расположенных на окружности заданного диаметра, до плоскости, перпендикулярной к базовой оси и поверхности (рис. 1.3, е). Если диаметр не задан, то торцевое биение определяется на наибольшем диаметре торцевой поверхности.

Торцевое биение является результатом неперпендикулярности торцевой поверхности к базовой оси и отклонений формы тор­ца по линии измере­ния.

Несоосность (откло­нение от соосности) относительно базовой поверхности — наибольшее расстояние между осью рассматриваемой поверхности и осью ба­зовой поверхности на всей длине рассматри­ваемой поверхности или расстояние между этими осями в заданном сече­нии (рис. 1.3, ж).

Несоосность (откло­нение от соосности) от­носительно общей оси — наибольшее расстояние от оси рассматриваемой поверхности до общей оси двух или нескольких номинально соосных по­верхностей вращения в пределах длины рассма­триваемой поверхности (рис. 1.3, з).

Общей осью двух или нескольких поверхно­стей при определении соосности калибром яв­ляется ось калибра (несоосностью ступеней ка­либров в данном опре­делении пренебрегают).

За общую ось двух поверхностей при опре­делении соосности уни­версальными средствами измерения принимается прямая, проходящая че­рез эти оси в средних сечениях рассматриваемых поверхностей.

Радиальное биение - разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реальной поверхности до базовой оси вращения в сечении, перпендикулярном к этой оси (рис. 1.3, и).

Радиальное биение является результатом смещения центра (эксцентриситета) рассматриваемого сечения относительно оси вращения (эксцентриситет вызывает вдвое большее по величине радиальное биение) и некруглости.

Непересечение осей (отклонение от пересечения) — кратчайшее расстояние между осями, номинально пересекающимися (рис. 1.3, к).

Несимметричность (отклонение от симметричности) — наибольшее расстояние между плоскостью симметрии (осью симметрии) рассматри­ваемой поверхности и плоскостью симметрии (осью симметрии) базовой поверхности (рис. 1.3, л).

Смещение оси (или плоскости симметрии) от номинального располо­жения — наибольшее расстояние между действительным и номиналь­ным расположениями оси (или плоскости симметрии) по всей длине рассматриваемой поверхности (рис. 1.3, м).

Точность геометрической формы и расположения поверхностей характеризуются предельными отклонениями, назначаемыми при наличии особых требований, возникающих из условий работы, изготовления или измерения деталей. В остальных случаях отклонения формы и расположения поверхностей должны находиться в пределах поля допуска соответствующего размера.

Точность взаимного расположения поверхностей зависит от работы станка и от положения обрабатываемой заготовки относительно станка, т. е. от ее установки.

1.2.2. Факторы, влияющие на точность обработки

На точность обработки существенно влияет ряд факторов, являющихся следствием движения режущей кромки инструмента по обрабатываемой поверхности, выполняемого в соответствии с кинематикой станка.

В результате некоторого несоответствия действительных движений заготовки и инструмента движениям, предусмотренным кинематической схемой станка, возникает погрешность обработки.

При использовании автоматических подач погрешность обработки не зависит от действий рабочего, а определяется свойствами станка, инструмента и обрабатываемых заготовок и характеризует тем самым погрешность работы станка.

Погрешность работы станка, не зависящая от нагрузки, возникает вследствие неточности кинематической схемы станка и его отдельных узлов.

В состав погрешности обработки входит также погрешность, возникающая от неправильности взаимного расположения инструмента и заготовки в начале перехода, а также от неточности регулировки настройки

Погрешность обработки - это следствие ряда причин, основными в которых являются: неточность кинематической схемы станка; геометрическая неточность станка в ненагруженном состоянии; неточность режущего инструмента; износ режущего инструмента; деформация упругой системы станок - приспособление - инструмент - деталь; температурные деформации узлов станка, обрабатываемой заготовки и режущего инструмента; остаточные деформации заготовки; неточность измерений в процессе обработки;

1.2.3. Методы исследования точности

Изучение причин (факторов), вызывающих погрешности при обработке заготовок на металлорежущих станках, позволило установить связь между этими причинами и величинами погрешностей и таким образом управлять погрешностями, снижая или устраняя их совсем.

В результате совокупного действия всех факторов возникает так называемая результирующая погрешность, определяющая отступление от заданного размера. Эту результирующую погрешность надо знать заранее и не допускать, чтобы ее величина была больше допуска, установленного на заданный размер.

Погрешности в пределах данной совокупности размеров можно разделить на: систематические постоянные погрешности, т. е. погрешности, имеющие одинаковое значение для всей рассматриваемой совокупности, систематические переменные погрешности, закономерно изменяющиеся по ходу технологического процесса, и случайные погрешности (погрешности рассеивания), имеющие различные значения при невыясненных причинах их появления.

Для определения результирующей погрешности необходимо суммировать все погрешности по величине и знаку.

В зависимости от характера погрешностей - систематических или случайных, порождающих рассеивание размеров, их суммируют различными способами.

Систематические постоянные погрешности суммируют алгебраически (с учетом их знаков), что в результате может привести как к увеличению, так и к уменьшению погрешностей или к их компенсации.

Систематические переменные погрешности (любого знака: «+» или «-») суммируют арифметически, причем при определении суммарной погрешности исходят из наименее выгодных условий.

К этому виду погрешности относятся: погрешности формы обрабатываемой заготовки, зависящие от жесткости системы СПИД, погрешности, связанные с износом инструмента, и погрешности настройки.

Технологический процесс может быть устойчивым или неустойчивым, налаженным или разлаженным, вследствие чего качество заготовок может получаться однородным или неоднородным.

При однородном качестве заготовки имеют незначительные колебания, в то время как неоднородное качество характеризуется большими колебаниями в размерах, форме или свойствах заготовок.

С помощью метода построения кривых распределения исследуют точность обработки законченного этапа технологического процесса. При этом не может быть учтена последовательность обработки заготовок, так как все заготовки данной партии как бы перемешиваются и систематические постоянные и переменные погрешности не отделяются от случайных и влияние, как тех, так и других выражается в общем виде как рассеивание размеров.

Статистический метод исследования точности обработки с построением точечных диаграмм свободен от этих недостатков и позволяет исследовать технологический процесс значительно глубже, чем метод кривых распределения; при этом оказывается возможным разделить влияние случайных и систематических погрешностей (как постоянных, так и закономерно изменяющихся).

Точечные диаграммы можно строить не только для одной партии заготовок, но и для нескольких последовательно обрабатываемых партий, при этом партии разбиваются на группы по несколько штук последовательно обрабатываемых заготовок в каждой группе, и тогда по оси абсцисс откладываются не номера заготовок (проб), а номера групп, но при этом рассеивание средних значений групп (средних арифметических значений размеров заготовок, входящих в группу) будет меньше, чем рассеивание размеров отдельных заготовок.

1.2.4. Методы обеспечения заданной точности

Необходимая точность обработки может быть достигнута следующими методами.

Метод пробных рабочих ходов заключается в индивидуальной выверке устанавливаемой на станок заготовки, последовательном снятии стружки путем пробных рабочих ходов, измерении полу­чаемых размеров. Скорректировав по результатам измерений поло­жение режущего инструмента, производят окончательную обра­ботку заданной поверхности. Метод пробных ходов трудоемкий, так как требует много времени на выверку заготовки и на коррек­тировку положения режущего инструмента. Метод применяется в единичном и, реже, в мелкосерийном производстве.

Метод автоматического получения заданного размера заклю­чается в том, что партию заготовок обрабатывают на предвари­тельно настроенном станке сустановкой заготовок в приспособлении без выверкиих положения, а режущий инструмент при наладке станка устанавливают на определенный размер, называемый настроечным. Заданный размер получают за один рабочий ход, т. е. при однократной обработке. Этот метод более производителен, чем метод пробных рабочих ходов, но требует специальных приспособлений и более стабильных по размерам исходных заготовок. Метод автоматического получения заданных размеров широко применяют в серийном и массовом производстве.

1.3. Качество поверхности

1.3.1. Основные понятия и определения

Взаимодействие деталей при внешнем трении и их изнашивание зависит от качества их поверхностей.

Под качеством поверхности понимают совокупность геометрических и физико-механических характеристик поверхностных слоев, определяющих состояние поверхности.

Физико-механические свойства поверхности определяются наклепом и внутренними или остаточными напряжениями.

Наклеп поверхностного слоя характеризуется критериями качественной оценки пластической деформации: степенью наклепа и глубиной наклепного слоя. Степени наклепа представляют собой отношения поверхностной твердости (микротвердости) к твердости исходного материала. Поверхностная твердость в результате наклепа, в том числе при механической обработке, может повышаться более чем в 2 раза. Глубина наклепного слоя может изменяться от нескольких микрометров до 1 мм и выше. Микротвердость поверхности, определяющая степень наклепа, измеряется царапаньем или вдавливанием алмазной пирамиды при небольших нагрузках. В исследовательской практике для этой цели используются микротвердомер ПМТ-3.

Остаточные напряжения подразделяются на остаточные напряжения растяжения и сжатия. Кроме этого, остаточные напряжения бывают первого, второго и третьего родов. Наибольшее влияние на изменение формы детали оказывает остаточное напряжение первого рода, которое при изменении состояния детали (например, увеличении температуры) могут привести к существенной деформации детали. Остаточные напряжения первого рода определяются методом травления образцов, вырезанных из исследуемого участка. Скорость изгиба образца характеризует величину напряжения.

Эксплуатационные свойства деталей машин и долговечность их работы в значительной степени зависят от геометрического состояния их поверхности.

В отличие от теоретической поверхности деталей, изображаемых на чертеже, реальная поверхность всегда имеет неровности различной формы и высоты, образующиеся в процессе обработки.

Высота, форма, характер расположения и направление неровностей поверхностей обрабатываемых заготовок зависят от ряда причин: режима обработки, условий охлаждения и смазки режущего инстру­мента, химического состава и микроструктуры обрабатываемого ма­териала, конструкции, геометрии и режущей способности инстру­мента, типа и состояния оборудования, вспомогательного инструмента и приспособлений.

Различают следующие отклонения от теоретической поверхности: макрогеометрические, волнистость и микрогеометрические.

Макрогеометрические отклонения - единич­ные, не повторяющиеся регулярно отклонения от теоретической формы поверхности, характеризующиеся большим отношением протяженно­сти поверхности L к величине отклонения h, которое больше 1000.

Макрогеометрические отклонения характеризуют овальность, конусообразность и другие отклонения от правильной геометрической формы.

Волнистость поверхности представляет собой сово­купность периодически чередующихся возвышений и впадин с отно­шением шага волны . Волнистость является следствием вибрации системы СПИД, а также неравномерности процесса резания.

Микрогеометрические отклонения, или микронеровности, образуются при обработке заготовок в результате воздействия режущей кромки инструмента на обрабатываемую поверхность, а также вследствие пластической деформации обрабатываемого мате­риала в процессе резания. Микронеровности определяют шероховатость (негладкость) обработанной поверхности. Микрогеометрические отклонения характеризуются небольшим зна­чением отношения шага микронеровностей S к их высоте h, которая должнабыть менее 50.

1.3.2. Параметры оценки и измерение шероховатости

поверхности

Шероховатость поверхности - это совокуп­ность неровностей с относительно малыми шагами (расстоянием между вершинами характерных неровностей измеренного профиля), образую­щих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах участка, длина которого выбирается в зависимости от характера поверхности и равна базовой длине. Для оценки шероховатости поверхности установ­лены следующие два параметра: среднее арифметическое отклонение профиля - R_а и высота неровностей - R_z.

Шероховатость поверхности следует измерять в направлении, которое дает наибольшее значение Ra или Rz, если заранее не указано какое-либо другое определенное направление измерения шероховатости.

Различные дефекты поверхности (царапины, раковины и т. п.) при измерении шероховатости не учитывают. Числовое значение шероховатости поверхности (табл. 1.1) ограничивает только максимальную величину шероховатости.

Таблица 1.1

Классификация шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности оценивают двумя основными методами: качественным и количественным.

Качественный метод оценки основан на сравнении обработанной поверхности с эталоном (образцом) поверхности посред­ством визуального сопоставления, сопоставления ощущений при ощупывании рукой (пальцем, ладонью, ногтем) и сопоставления результа­тов наблюдений под микроскопом.

Качественную оценку весьма тонко обработанных поверхностей следует производить с помощью микроскопа; можно пользоваться лупой с пятикратным и большим увеличением.

Количественный метод оценки заключается в из­мерении микронеровностей поверхности с помощью приборов: профилографа, двойного микроскопа и микроинтерферо­метра, профилометра и др.

1.3.3. Влияние качества поверхности на

эксплуатационные свойства деталей машин

Как указывалось выше, на эксплуатационные свойства деталей машин существенно влияет шероховатость обработанной поверхности, но не во всех случаях чисто обработанная поверхность является наиболее износоустойчивой, так как удержание смазки на поверхности деталей при различных условиях трения (в зависимости от нагрузки, скорости, материала сопрягаемых деталей и др.) зависит от микронеровностей поверхностей. Поэтому в зависимости от конкретных условий трения устанавливают оптимальную шероховатость поверхности.

На износоустойчивость поверхности влияют сопротивляемость поверхностного слоя разрушению и макрогеометрические отклонения, т. е. отклонения от геометрической формы, которые приводят к нерав­номерному износу отдельных участков.

Волнистость приводит к увеличению удельного давления, так как трущиеся поверхности соприкасаются с выступами волн; то же происходит и при микронеровностях поверхностей, причем выступы микронеровностей могут деформироваться - сминаться или даже срезаться при движении одной трущейся поверхности относительно другой.

Во многих случаях прочность деталей машин зависит также от шероховатости обработки. Установлено, что наличие рисок, глубоких и ост­рых царапин создает очаги концентрации внутренних напряжений, которые в дальнейшем приводят к разрушению детали. Такими оча­гами могут являться также впадины между гребешками микронеров­ностей. Это не относится к деталям, изготовляемым из чугунов и цвет­ных сплавов, в которых концентрация напряжений возможна в мень­шей степени.

Прочность прессовых соединений также зависит от шероховатости и особенно от высоты микронеровностей; при запрессовке одной детали в другую фактическая величина натяга зависит от шероховатости поверхности и отличается от величины натяга при запрессовке деталей с гладкими поверхностями для тех же диаметров.

От шероховатости поверхности зависит также устойчивость поверх­ности против коррозии. Чем выше класс шероховатости поверхности, тем меньше площадь соприкосновения с коррелирующей средой, тем меньше влияние среды. Чем глубже впадины микронеровностей и чем резче они очерчены, тем больше разрушающее действие коррозии, направленное в глубь металла.

1.3.4. Нормирование качественно-точностных параметров

на типовые поверхности деталей машин

Долговечность и надежность машин и их экономичность предопределяются правильным выбором качественно-точностных характеристик.

В зависимости от условий эксплуатации следует назначать оптимальную для данной рабочей поверхности шероховатость. В табл. 1.2 приведены рекомендуемые значения шероховатости для наиболее распространенных типовых поверхностей.

Практикой и исследованиями определены взаимосвязи между видами обработки и шероховатостью поверхности. Так, например, установлено, что средняя высота неровностей не должна превышать 10 -25 % от допуска на обработку. Это позволило установить оптимальную шероховатость поверхности для различных видов обработки.

Таблица 1.2

Требования к качественно-точностным параметрам

типовых поверхностей деталей машин

Продолжение табл. 1.2