Глава III . Оптимизация выбора методов и технологических схем обработки типовых поверхностей заготовок

3.1 Общие замечания

После того, как технолог наметил возможные варианты обработки типовых поверхностей детали, ему необходимо переходить к формированию операций и проектированию маршрутного технологического процесса.

На характер технологического процесса механической обработки влияют следующие основные факторы:

а) размер производственной программы, в зависимости от типа производства и организационных форм выполнения технологического процесса;

б) конструктивная форма, размеры и технологичность детали;

в) род материала детали и его свойства;

г) форма, размер и точность изготовления заготовки;

д) требования к точности и качеству обработанной поверхности и другие требования по техническим условиям;

е) характер используемого оборудования и технологической оснастки;

ж) требования наибольшей экономичности и производительности производства.

Каждый из указанных факторов определяет те или иные особенности технологического процесса.

Проектирование технологических процессов механической обработки начинается с тщательного изучения исходных данных проектирования: сборочного и рабочего чертежей изделия с соответствующими техническими условиями изготовления детали, чертежа исходной заготовки и размеров программного задания. Изучаются и такие дополнительные условия проектирования, как наличие или отсутствие оборудования, на котором предполагается осуществить изготовление проектируемого изделия; возможности модернизации оборудования; наличие производственных площадей для расширения производства; возможности применения совершенных видов исходных заготовок, прогрессивного инструмента и приспособлений и т.п.

По величине программного задания и размерам производственной партии определяются коэффициент закрепления операций, тип и серийность производства и необходимые такт и ритм обработки заготовок.

После этого (в условиях единичного и серийного производства) по технологическим классификаторам заготовок, обрабатываемых на данном предприятии, анализируется возможность изготовления данной заготовки по существующим на предприятии типовым и групповым технологическим процессам или на действующих групповых переменно-поточных или автоматических линиях.

При отсутствии возможности использования существующих на предприятии унифицированных технологических процессов после проведения указанной подготовительной работы технолог приступает к непосредственному проектированию технологических процессов.

Проектирование технологических процессов представляет собой сложную многовариантную задачу, правильное решение которой требует проведения ряда расчетов. При проектировании процессов обработки сложных и ответственных заготовок составляется несколько возможных вариантов обработки, окончательный выбор которых производится на основании расчетов и сопоставлением достигаемых точности, трудоемкости, выражаемые нормой штучно-калькуляционного времени Т шк , технологической себестоимости С Т и срока окупаемости капитальных затрат.

Такое сопоставление производится как по важнейшим технологическим операциям, так и по всему технологическому процессу в целом.

В начале проектирования технолог предварительно устанавливает виды обработки отдельных поверхностей заготовки и методы достижения их точности, соответствующие требованиям чертежа и серийности производства, существующего на предприятии оборудования. При выборе метода обработки необходимо учитывать экономическую целесообразность его применения. При проектировании технологических процессов пользуются составленными на основании опытных данных таблицами средних величин экономической точности различных методов обработки. После этого производится назначение технологических баз на все предполагаемые операции обработки.

Одновременно с этим разрабатывается последовательность операций, то есть технологический маршрут обработки заготовки. При низкой точности исходных заготовок технологический процесс начинается с черновой обработки поверхностей, имеющих наибольшие припуски. При этом, в самую первую очередь снимется припуск с тех поверхностей, на которых возможны литейные раковины, трещины и другие дефекты, с целью скорейшего отсеивания возможного брака или устранения обнаруженных дефектов заваркой, наплавлением металла и тому подобное. Дальнейший маршрут строится по принципу обработки сначала более грубых и затем более точных поверхностей. Наиболее точные поверхности обрабатываются последними. В конце маршрута выполняются второстепенные операции (сверление мелких отверстий, нарезание крепежных резьб, прорезка пазов, снятие фасок и заусенцев). Наиболее легко повреждаемые поверхности (наружние резьбы, особо точные шлифовальные и доведенные поверхности) обрабатываются в заключительной стадии технологического процесса.

Ответственные и сложные корпусные заготовки часто обрабатываются с разделением технологического процесса на стадии черновой и чистовой обработки. На первой стадии снимаются основные припуски на обработку; в результате этого возникают погрешности заготовки, связанные с перераспределением внутренних напряжений исходных заготовок и влиянием остаточных напряжений, вызванных черновой механической обработкой. В наиболее ответственных случаях после черновых операций производится дополнительная термическая обработка заготовок (отжиг и нормализация), способствующая более полному протеканию деформаций и релаксаций (снятию) остаточных напряжений.

На второй стадии обработки (при чистовых операциях) устраняются погрешности, возникшие при черновой обработке, и обеспечивается достижение требуемых точности обработки, шероховатости и предписанного чертежом состояния поверхностного слоя.

При обработке сравнительно небольших поверхностей достаточно жестких заготовок удается избежать дифференциации операций на черновые и чистовые и технологический процесс, строится по принципу концентрации операций. В этом случае первые операции стремятся построить наиболее концентрированными.

При обработке заготовок, подвергающихся термической обработке, в составе технологического процесса предусматриваются дополнительные операции, связанные с особенностями термической обработки (операция меднения или снятия дополнительного припуска, устранения коробления длинных и тонких заготовок после их закалки и т.п.).

3.2 Технико-экономический анализ методов и схем обработки типовых поверхностей

Виды окончательной обработки всех поверхностей заготовки и промежуточных операций определяют исходя из требований, предъявляемых к точности и качеству готовой детали, с учетом характера исходной заготовки и свойств обрабатываемого материала.

Для предварительного выбора вида обработки отдельных поверхностей заготовки используются данные справочных таблиц экономической точности обработки различными способами и на различных станках, которые приводятся в учебной и справочной литературе.

В связи с тем, что одинаковые точность обработки и качество обработанной поверхности могут быть достигнуты различными способами, после предварительного выбора нескольких возможных технически подходящих видов обработки следует произвести их сопоставление по производительности и экономичности.

При назначении вида обработки следует стремиться к тому, чтобы число переходов при обработке каждой поверхности было минимальным. Желательно, чтобы одним и тем же способом обрабатывалось возможно большее количество поверхностей заготовки. Последнее дает возможность разработать высокопроизводительные концентрированные операции с максимальным совмещением обработки отдельных поверхностей, сократить общее количество операций и установов, длительность цикла обработки, повысит производительность и точность обработки заготовки.

В том случае, когда производительность и экономичность обработки отдельных поверхностей заготовки различными способами значительно различаются, вопрос о целесообразности выполнения концентрированной или дифференцированной операции должен решаться экономическим расчетом. Примером такого подхода к разработке технологической операции может служить выбор вида обработки отверстия заготовки, изображенной на рис. 3.1.1 , с точностью Н7 и шероховатостью Rz =6.3 мкм [2].

Рис. 3.1.1 Ступенчатая втулка

Обработку наружных ступенчатых поверхностей указанных заготовок можно успешно выполнить резцами на токарном и револьверном станках или автомате. Центральное отверстие развертыванием на тех же станках посредством концентрированной операции или отдельной операции путем развертывания на станке сверлильного типа, протягивания, шлифования, тонкого растачивания на токарном или на специальном алмазно-расточном станке. При этом трудоемкость и технологическая себестоимость обработки отверстия во всех этих случаях значительно различаются.

Решение вопроса о наиболее рациональном варианте технологической операции для указанных заготовок должно быть принято после проведения технического нормирования трудоемкости обработки по вариантам: обработка маршрутных поверхностей и центрального отверстия на револьверном станке (или автомате); обработка наружных поверхностей на револьверном станке и отверстия посредством отдельной операции на сверлильном, протяжном, алмазно-расточном и других станках.

Целесообразность обработки отверстия отдельной операцией может быть также установлена на основании опубликованных нормативных данных по производительности и экономичности обработки отдельных поверхностей. Результаты расчета по этим данным показывают, что при окончательной обработке центрального отверстия в процессе общей концентрированной операции на револьверном станке развертыванием или растачиванием, трудоемкость обработки отверстия значительно выше, чем при использовании способов, требующих выделения обработки отверстия в особую операцию. Далее, если учесть, что при выполнении концентрированной операции на револьверном станке экономится время установки заготовки, обычно составляющее 0.18-0.22 мин., результаты расчетов показывают, что разделение револьверной операции на две с выделением окончательной обработки отверстия на сверлильном (развертывание), алмазно-расточном либо протяжном станке способствует значительному сокращению затрат суммарного времени на обработку заготовки.

Выделение обработки отверстия на шлифовальном станке целесообразно, так как трудоемкость шлифования близка к трудоемкости развертывания на револьверном станке и подобная дифференциация только удлиняет производственный цикл.

Данные по трудоемкости обработки не дают окончательного решения вопроса о целесообразности дифференциации операций и должны быть дополнены данными по экономичности обработки.

Из этих данных следует, что наиболее производительный вид обработки отверстий - протягивание - в условиях серийного производства не является достаточно экономичным. При обработке операционной партии заготовок 200 шт. протягивание отверстий длиной 20 мм является наиболее дорогим видом обработки. Только для отверстий длиной 80 мм протягивание оказывается экономичнее растачивания резцами на токарных и револьверных станках, развертывания на револьверных станках или шлифования. Однако и при этих размерах отверстий протягивание значительно дороже развертывания на сверлильных станках или тонкого растачивания.

Проведенный анализ производительности и экономичности обработки отверстий различными способами приводит к заключению, что при проектировании технологических процессов обработки заготовок такого типа, целесообразно предусмотреть окончательную обработку наружного контура и предварительную обработку отверстия на револьверном станке или автомате, а окончательную обработку отверстия выделить в отдельную операцию, выполняемую одним из следующих высокопроизводительных видов обработки: развертыванием на сверлильном станке или тонким растачиванием на специальном алмазно-расточном станке.

Именно такая последовательность обработки принята в некоторых типовых технологических процессах изготовления зубчатых колес.

При проектировании технологических процессов обработки точных отверстий можно руководствоваться следующими предварительными соображениями [3]:

Чистовое развертывание широко применяется на сверлильных и токарно-револьверных станках для отверстий диаметром до 150 мм.

Чистовое растачивание отверстий применяется во всех видах производства: в крупносерийном производстве оно выполняется на многошпиндельных станках, а в мелкосерийном - на токарных и одношпиндельных горизонтально-расточных станках.

Протягивание широко применяется для обработки отверстий: во многих случаях оно заменяет развертывание цилиндрических отверстий; для изготовления шлицевых (а также других форм) отверстий протягивание является единственным практически применимым производительным способом.

Шлифование отверстий применяется для закаленных деталей; для незакаленных же отверстий малого диаметра шлифование почти не применяется; при обработке отверстий больших диаметров этот способ применяется, главным образом, в ремонтных цехах.

Бесцентровое шлифование получает все большее применение, особенно в крупносерийном и массовом производстве.

Хонингование является доводочной операцией и применяется после развертывания или шлифования, находя весьма широкое применение, в особенности в автотракторной и авиационной промышленности.

Тонкое (алмазное) растачивание широко применяется для обработки цветных металлов, реже при обработке чугуна и стали.

Аналогичные рекомендации существуют и для обработки других типовых поверхностей, например, по применению различных методов нарезания резьбы [3]:

Нарезание резьбы резцом на токарно-винторезном станке применяется, главным образом, для точных и длинных винтов, при нестандартном профиле резьбы, а также в других случаях, когда применение или изготовление специального инструмента встречает затруднения. При этом способе применяется более простой инструмент и достигается большая точность, чем на резьбофрезерном станке.

Низкая производительность и высокая квалификация рабочего являются недостатками этого метода.

Нарезание резьбы плашками и резьбонарезными головками применяется на токарно-револьверных станках и автоматах при совмещении его с обработкой других поверхностей изделия.

Фрезерование резьбы целесообразно применять при достаточно больших партиях деталей, т.к. этот метод более производителен. При фрезеровании резьбы квалификация рабочего может быть ниже и он может работать на нескольких станках одновременно.

Шлифование резьбы применяется, главным образом, для резьбового режущего и измерительного инструмента, т.к. с помощью этого метода можно получить весьма точную резьбу на закаленной поверхности.

Накатывание резьбы применяется в крупносерийном и массовом производстве ввиду высокой производительности этого метода получения резьбы при достаточной её точности.

Вопросы для самопроверки

•  Факторы, влияющие на характер техпроцесса механической обработки

•  Сравнение вариантов механической обработки различных поверхностей

•  Выбор последовательности обработки отдельных поверхностей детали

•  Технико-экономический анализ методов и схем обработки типовых поверхностей

•  Автоматизация выбора оптимальных технологических схем обработки типовых поверхностей

Выбор возможных для обработки данной поверхности схем обработки производится на основе анализа конструктивно-технологических показателей обрабатываемой детали, к важнейшим из которых относятся:

•  тип поверхности, подлежащей обработке;

•  габариты поверхности;

•  этап обработки (черновой, чистовой, отделочный);

•  точность поверхности;

•  шероховатость поверхности;

•  твердость поверхности;

•  серийность производства (тип производства).

По общности методов, используемых при обработке все поверхности, образующие конфигурацию детали, разбивают на группы. Как правило, на начальных стадиях проектирования решаются задачи выбора рациональных способов обработки групп однородных поверхностей – наружных поверхностей вращения, внутренних, плоских, зубчатых, резьбовых, шлицевых и др.

Такое группирование позволяет использовать единую методическую основу для укрупненной оценки эффективности различных схем и методов обработки уже на начальных стадиях проектирования, когда у технолога отсутствует необходимая информация для точной оценки трудоемкости обработки и связанной с ней технологической себестоимости.

Последний показатель – технологическую себестоимость обычно используют в качестве критерия для выбора вариантов схем обработки поверхностей деталей.

При укрупненных расчетах на стадии выбора схемы обработки поверхности технологическая себестоимость может быть определена по следующей формуле:

,

где - норматив приведенных производственных затрат, приходящихся на 1 час работы оборудования, занятого при обработке i поверхности, руб.;

- трудоемкость обработки i поверхности, мин.

Анализ зависимости показывает, что ее минимизация за счет одновременного сокращения и как правило невозможна, так как использование более производительного метода обработки влечет за собой применение более дорогостоящего оборудования, и, следовательно, увеличение расходов на его содержание и эксплуатацию.

Очевидно, что из ряда сравниваемых вариантов оптимальным будет тот метод обработки, при осуществлении которого рост производительности превысит рост удельных затрат.

Таким образом, задачу выбора оптимального метода или схемы обработки поверхности можно в общем виде сформулировать так: выбрать из множества методов тот, который отличается минимальной технологической себестоимостью при обеспечении требуемых показателей точности, шероховатости поверхности обрабатываемой детали и серийности (типа) производства.

А задача определения технологической себестоимости сводится к решению двух взаимосвязанных подзадач: первая – определение возможных для заданных условий вариантов обработки поверхности с выбором соответствующего оборудования и расчетом приведенных производственных затрат на 1 час его работы; вторая – определение трудоемкости обработки поверхности применительно к данной схеме.

Рассмотрим подготовку базы данных для поиска возможных методов обработки наружных цилиндрических поверхностей.

В зависимости от точности и шероховатости поверхности, требуемое качество может быть достигнуто на черновом, получистовом, чистовом и отделочном этапе обработки. Коды соответствующих этапов и алгоритм их выбора в зависимости от качества обрабатываемой поверхности предоставлены в таблице 3.3.1.

Таблица 3.3.1

Выбор этапа обработки наружной цилиндрической поверхности в зависимости от требований по точности и шероховатости

Одним из важнейших показателей, который необходимо учитывать при выборе метода обработки является серийность или тип производства, который по ГОСТ 14.004-82 определяется коэффициентом закрепления операций .

На стадии проектирования, когда технологический процесс еще не сформирован, можно оценить по трудоемкости обработки и годовой программе выпуска деталей.

Для определения трудоемкости обработки на этой стадии, когда операционный техпроцесс отсутствует, необходимо пользоваться методами укрупненного нормирования.

Согласно [7] для обработки наружных цилиндрических поверхностей деталей типа валов при двухсменной работе можно приближенно определить по эмпирической формуле

,

где N – годовой объем выпуска деталей;

Q – конструктивная сложность детали;

М – масса детали.

Кодирование типа производства представлено в таблице 3.3.2.

Таблица 3.3.2

Выбор типа производства

На основе рассчитанных значений тип производства определяется по таблице 3.3.2. Если тип производства заранее задан, то его код вводится при автоматизированном проектировании схемы обработки в ЭВМ в диалоговом режиме.

На основе производственного опыта, анализа технологических решений и литературных источников для цилиндрических наружных поверхностей составлены некоторые варианты схем обработки в зависимости от этапа обработки и серийности производства, часть которых представлена в таблицах 3.3.3, 3.3.4.

Таблица 3.3.3

Выбор кода схемы обработки наружной цилиндрической поверхности

Таблица 3.3.4

Таблица соответствия кода схемы обработки поверхности

В некоторых случаях для тех или иных этапов обработки можно выбрать несколько вариантов схем обработки поверхности. Все они закодированы трехзначным кодом. Коды от 001 до 099 соответствуют схемам обработки с лезвийным инструментом, обеспечивающим обработку незаколенной стали и материалов аналогичной твердости. Коды выше 100 соответствуют схемам обработки абразивным и алмазным инструментом, в связи с чем имеется возможность обработки закаленных сталей и материалов высокой твердости.

Следующей задачей является ориентировочный выбор оборудования для принятых вариантов схем обработки. Эта процедура может быть выполнена на основе анализа массива станков MST с учетом габаритов обрабатываемой поверхности.

По коду станка из массива выбирается его стоимость и приведенные часовые затраты

Как уже отмечалось ранее, в условиях укрупненного нормирования основное время обработки отдельных наружных цилиндрических поверхностей может быть определено по эмпирическим зависимостям вида:

,

где D – диаметр обрабатываемой поверхности;

L – длина обрабатываемой поверхности;

- коэффициент, отражающий уровень режимов различных методов и этапов обработки поверхностей из стали 45;

- коэффициент, учитывающий отличие материала поверхности от обрабатываемости стали 45.

По основному времени вводом покровочных коэффициенты, учитывающих потери времени на снятие и установку детали, обслуживание оборудования и его переналадку, определяют штучно-калькуляционное время Значения коэффициентов для расчета и берется из массива коэффициентов MKF [7].

Алгоритм решения задачи выбора оптимальной схемы обработки поверхности может быть представлен в виде следующей блок-схемы (рис.3.3.1).

Данный алгоритм принятия решения может применяться для выбора схемы обработки поверхностей любой формы. Для этого предварительно должна быть проанализирована и систематизирована вся необходимая информация о поверхности, включающая ее вид, материал, твердость, наличие термообработки, размеры, квалитет точности, шероховатость, предполагаемый объем выпуска детали, которой она принадлежит. Программа автоматизированного выбора оптимальной схемы обработки наряду с автоматизированными процедурами решения задачи предусматривает окончательную оценку результата проектировщиком.

Вопросы для самопроверки

•  Назовите критерии выбора оптимальной схемы обработки поверхности.

•  Укажите алгоритм выбора оптимальной схемы обработки поверхности детали.

•  Какие признаки лежат в основе выбора этапов обработки поверхности?