КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

12. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

Качество поверхности определяется величиной шероховатости и волнистости, ее твердостью, структурой, химико-физическим и физико-механическим состоянием поверхностного слоя и др. Оно является важнейшим показателем, определяющим надежность работы и долговечность изделий.

К настоящему времени машиностроители накопили определенный объем сведений для того, чтобы в результате лезвийной или абразивной обработки получать поверхности с заданным качеством.

На качество поверхности оказывают непосредственное влияние режим обработки, используемый инструмент (особенно геометрия его режущей части) и оборудование, наличие вибраций, применяемые СОЖ и другие факторы.

Увеличение сил резания и продолжительности силового воздействия приводят к образованию на поверхности наклепа (упрочненного слоя) и формированию остаточных напряжений сжатия. Этому способствует увеличение глубины резания (t), подачи (S), радиуса закругления режущей кромки (r), переход от положительных к отрицательным передним углам (γ), т.е. внедрение силового резания. Увеличение скорости резания (V) приводит к повышению температур в локальных зонах обработки, разупрочнению (возврату к исходному состоянию металла) с тенденцией образования на поверхности остаточных напряжений растяжения. Благоприятная геометрия обработки (уменьшение главного φ и вспомогательного угла в плане φ₁, подачи S и увеличение r) способствует сокращению величины шероховатости поверхности. Интенсивное наростообразование, наблюдающееся в зоне скоростей резания V = 20―40 м/мин, c увеличением V > 60 м/мин практически прекращается и поверхность получается чистой. Шлифование с выхаживанием, особенно твердых (закаленных на мартенсит) поверхностей, также приводит к существенному снижению шероховатости.

В ходе практикума следует подтвердить, что в результате обработки (принятым методом и в установленном режиме) одна из обрабатываемых поверхностей (желательно после окончательной обработки) будет обладать качеством, соответствующим требованиям чертежа или операционного (технологического) эскиза. Для этого следует воспользоваться материалами, изложенными в [8, с. 193-237; 9, с. 118-140], или др. Расчетные зависимости, связывающие показатели качества поверхностей с факторами, их определяющими, для многих видов обработки, можно найти в справочниках [10; с. 89-114; 27, c. 212-225]. Этот подраздел объемом до одной страницы следует закончить положительным выводом.

Как и в случае с точностью обработки, при невыполнении требований к качеству поверхностей, следует пересматривать условия обработки, добиваться того, чтобы качество поверхности соответствовало требованиям чертежа.

Пример 12. Согласно технологическому процессу торец 2 (см. рис.4) после предварительной обработки должен иметь шероховатость поверхности Rа = 10 мкм. Проверить, обеспечивает ли принятый в операции 05 режим обработки требуемую шероховатость.

Величину шероховатости при торцевом точении поверхности определяют по формуле [10, с. 104, табл. 5]

 

где γ ― передний угол резца, γ = 5°; K_M ― коэффициент, учитывающий влияние обрабатываемости стали 40Х на шероховатость поверхности K_M= 1,2; r ― радиус закругления режущей кромки резца, r = 0,5 мм и S ― принятая подача, S = 0,42 мм/об. С учетом значений

 мкм,

Таким образом, в процессе обработки будет обеспечиваться заданная шероховатость торца венца.

Пример 13. Согласно технологическому процессу отверстие в ступице Ф46Н11 после чистового зенкерования (перед протягиванием шлиц) должно иметь шероховатость Rа= 5 мкм, указанную на чертеже детали (см. рис. 1). Проверить, обеспечивает ли принятый в операции 05 (переход 10) режим обработки требуемую шероховатость.

Величину шероховатости при зенкеровании отверстия в стали 40Х определяют по формуле [10, с. 103, табл.5]

,

 

где V - скорость зенкерования, V = 34,5 м/мин; S ― подача при чистовом зенкеровании S = 0,85 мм/об; D ― диаметр зенкера (отверстия) D = 46.

С учетом значений

 мкм.

 

Так же, как и в примере 12, требуемая шероховатость поверхности отверстия Ф46Н11 принятым способом и режимом обработки обеспечивается.

13. ТЕХНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ

Для разрабатываемых операций после окончательного уточнения схем их построения, расчетов режимов резания и точности обработки, а также проверки качества обработки поверхности и возможности рационального использования выбранной модели станка по формулам [12, с. 160-360; 9, с. 256-264] или другим определяют точное значение основного (машинного) времени обработки, t_0.

Затем, пользуясь методикой и нормативами [18, 19, 20, 21 и 22] или [5, c. 197-22l], определяют вспомогательное (t_в) и дополнительное (t_d) время, а также время на организационное (t_{о. об}) и техническое (t_{т. об}) обслуживание рабочего места, с учетом которых рассчитывают штучное время операций, мин.

t_ш. = t_о + t_в + t_{т об} + t_{о об} + t_д .  (а)

В крупносерийном и массовом производстве часто применяют многоместные схемы с независимой (раздельной) установкой заготовок (автоматы, полуавтоматы, агрегатные станки и автоматические линии и т.д.). При этом заготовки на одних позициях обрабатываются, а на других снимаются со станка и заменяются необработанными. При последовательной обработке основное время t₀в таких случаях определяется лимитирующим переходом, а вспомогательное ─ складывается из времени управления (подвод ─ отвод инструмента и т.п.) и времени индексации (переход к следующей позиции), т.е. t_в = t_уп + t_н

Для условий серийного производства по тем же нормативам устанавливают подготовительно-заключительное время (t_ПЗ) операции и штучно-калькуляционное время

t_{шк .}= t_ш+t_пз./n,

где n ― количество деталей в партии.

Для остальных (неразрабатываемых) операций технологического процесса основное и штучное время можно определить по приближенным формулам [5, 14, 23, 29] или другим.

Одновременно ориентировочно устанавливают разряд работ и раcсчитывают заработную плату рабочих за выполнение каждой технологической операции. Тарифные ставки для рабочих-станочников различной квалификации, нормативы заработной платы с коэффициентом доплат и начислений приводятся в [11, с. 428 табл. 19, 20 и 21].

Особенности нормирования операций, выполняемых на станках с ЧПУ, излагаются в [10, c. 603-622]. Среднее штучное время К операций данного техпроцесcа, мин

t_{ш ср}=

После определения технический нормы времени в поточном производстве определяют величину (обратную ей) ─ техническую норму выработки. Норма выработки должна обеспечивать заданную программу выпуска.

Для определения эффективности схем многоинструментальной обработки рассчитывают коэффициенты совмещения основного и вспомогательного времени K_со и К_св (см.разд.8). Раздел заканчивают заключением об эффективности спроектированного техпроцесса. Полученные значения t_о, t_ш, t_шк и t_пз вносят в маршрутные карты, карты технологического процесса и таблицы к схемам технологических наладок оборудования. Объем задания, вместе с расчетами t_i ― до 2. с.

Пример 14. Выполнить расчет производительности и определить зарплату рабочего за выполнение операции 05; по укрупненным нормативам установить время выполнения остальных механических операции.

При подрезке торца ступицы 1 и торца венца 2 на поз.III (cм. пример 8 и рис. 5) приняты подача S = 0,42 мм/oб и частота вращения шпинделя n = 185 мин^-1, а длина обрабатываемых поверхностей соответственно равна l₁ =14 мм и l₂ = 29 мм.

Основное время обработки (t_oi= l_i/nS) поверхности 1 t_o= 0,18 мин перекрывается временем обработки поверхности 2 t_o= 0,37 мин. Время обработки остальных поверхностей дано в табл.8.

 

Таблица 8

Основное время обработки поверхностей детали (см. рис. 4)

№ повер-хности	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	St0
t0, мин	0,18	0,37	0,16	0,19	0,12	0,15	0,18	0,37	0,16	0,27	0,12	0,15	2,42

Вспомогательное неперекрываемое время операции t_В на многошпиндельных полуавтоматах складывается из времени индексации t_И и времени подвода и отвода инструментов t_У. Оно определяется конструкцией управляющих кулачков [21]. Для рассматриваемого случая t_в = 0,18 мин.

Оперативное время обработки, с учетом лимитирующего основного,

t_{оп .}= t_о+t_с = 0,37+0,18 = 0,55 мин.

По табл. 5.17, 5.21 и 5.22 [5] примем время на техническое обслуживание станка t_т.об = 0,27 мин, организационное обслуживание t_о.об = 0.02 мин и время перерывов t_д = 0,04 мин. С учетом значений, штучное время операции t_ш = 0,86 мин.

Подготовительно-заключительное время для наладки токарного станка с 12 инструментами, при установке заготовок в самоцентрирующий патрон t_п.з = 30 мин, табл. 6.3[5].

Штучно-калькуляционное время обработки партии n = 200 шт:

t_шк = 0,88+30/200 = 1,03 мин.

Зарплата токаря III разряда за обработку одной детали

З_с = t_шк·К = 1,03·2,68 = 2,76 коп,

 

где К ― минутная ставка станочника (со всеми начислениями). К = 2,68 коп/мин - [11, с. 429, табл.21].

Часовая норма выработки на операции 05

N = 60/t_ш = 60/0,88 = 68 шт/ч

Коэффициент совмещения основного времени при ∑t_O= 2,42 мин

К_{с о} = t_0lim/∑t₀ = 0,37/2,42=0,153.

Расчеты показывают, что для обработки партии заготовок n = 200 шт на операции 05 станок мод. 1K282 будет загружен всего половину рабочей смены (3,45 ч, из которых почти час тратится на его наладку, техническое и организационное обслуживание). Стоимость выполнения операции получается низкой, а рациональность схемы операции ― коэффициент совмещения основного времени ― хорошая.

Расчет времени выполнения отдельных из оставшихся операций выполним по приближенным формулам, [14, с. 247―258, прил. 2].

Операция 10 ― протяжная. Длина шлицевой протяжки l = 800 мм:

t_шк = 0,0005l·ψ = 0,0005·800·1,72 = 0,69 мин.

где ψ ― коэффициент, учитывающий вспомогательное и дополнительное время, [ 14, с. 259, прил. 3] .

Операция 25 ― зубофрезерная. Ширина венца B = 25 мм, число зубьев Z = 86:

t_шк = 0,00943B·Z·ψ = 0,00943·86·25·1,66 = 33,6 мин.

 

Операция 30 ― закругление зубьев. Число зубьев Z = 86:

t_шк =0,00384Z ψ = 0,0384·86·1,27=4,19 мин

 

Операция 40 ― шлифование по диаметру (d = 220) и обоим торцам венца (врезанием):

t_шк.=3·0,0068d·ψ=3·0,0068·220·2.1=9,42 мин

 

и т. д. Расчетные значения норм времени вносят в соответствующие графы маршрутной :карты или карты технологического процесса. Другие примеры технологического нормирования- в : [5, с. 44-50 и с. 101-105; 7, с. 83-85; 14, с. 80, I20, 150; 23, c. I2I-I24; 29 и др].

14. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА   При современном уровне развития технологии машиностроения имеется возможность изготовить практически любую деталь разними способами. Проектируя технологический процесс, важно установить его оптимальный вариант, отвечающий всем техническим и экономическим требованиям производства. Те же соображения относятся к необходимости выбора оптимального варианта выполнения каждой операции данного технологического процесса. Задача по определению эффективности вариантов сложна и трудоемка. Для практики студентам достаточно сравнить показатели эффективности только одной механической операции при выполнении ее двумя, тремя и более различными способами, на разном оборудовании с использованием различных инструментов, схем и режимов обработки поверхностей. Критерием целесообразности считают наименьшую технологическую себестоимость операции. Технологическая себестоимость ― часть себестоимости изделия, определяемая суммой затрат на осуществление технологических процессов изготовления изделия (ГОСТ 14.205―83). Для детали она складывается из стоимости материала или заготовки и себестоимости механической обработки (без учета накладных расходов). Выбор экономически наивыгоднейшего варианта построения операции проводят путем сравнения технологических себестоимостей выполнения операции в сравниваемых вариантах. Для определения технологической себестоимости рекомендуется применять упрощенный нормативный метод, расчета [11]. По результатам сравнения выбирают вариант, обеспечивающий наименьшую себестоимость выполнения данной операции.

Подробнее методика выполнения экономического сравнения вариантов излагается в примере 15. В табл. 9 приводятся итоговые показатели эффективности. Из анализа и сравнения этих показателей, в курсовых и дипломных проектах, должен следовать однозначный вывод о том, что принятый и изложенный в маршруте обработки вариант выполнения операции является наиболее выгодным. На учебном практикуме по технологии машиностроения вывод может получиться и отрицательным. В этом случае студент должен постараться самостоятельно определить и затем изложить ошибки, допущенные в процессе технологического проектирования. Объем текста с расчетами не должен превышать 2―3 с.

Пример15. Определить технологическую себестоимость и сделать заключение об экономической целесообразности выполнения операции 05 (см. пример 6) на станках мод. 1K282 (вариант I) и мод.1К341 (вариант II).

Технологическая себестоимость складывается из стоимостей материала (заготовки) и себестоимости обработки. Стоимость заготовки для сравниваемых вариантов одинакова и равна 206 коп (см. пример 3). Себестоимость обработки складывается из зарплаты станочника с начислениями З_С и затратами на содержание и эксплуатацию оборудования З_ОБ

По варианту I имеем: З_С1 = 2,76 коп; t_оп = 0,55 мин и t_шк = 1,03 мин (см. пример 14).

Для определения З_С2 по варианту II выполним техническое нормирование. Будем считать, что обработка на станке 1КЗ41 ведется c теми же режимами и таким же режущим инструментом (установленным попарно в б позициях револьверной головки), как и на станке 1K282. Приняв длительность обработки на каждой позиции, равной наибольшему неперекрываемому основному времени по табл. 8 и с учетом последовательности выполнения переходов определим основное время операции:

t_о2 == 0,37+0,19+0,15+0,37+0,27+0,15 = 1,5 мин

Расчет вспомогательного (t_в) и подготовительно-заключительного (t_пз) времени выполним сложением составляющих элементов (табл. 9).

Оперативное время операции,

t_оп = t_о+t_в= 1,5+0,61 = 2,11 мин,

в том числе время работы станка (станкоемкость)

= t_о+t_упр = 1,5+0,37 = 1,87 мин.

Примем время на техническое обслуживание рабочего места и перерывы 6% t_оп,[5, c. 214, табл. 6,1], т. е.

t_д = 0,06·2,11 = 0,13 мин,

а время организационного обслуживания 4%, т.е.

t_{о об.}= 0,04·2,11 = 0,08 мин.

Таблица 9

Расчет вспомогательного и подготовительного времени операции

Содержание вспомогательных переходов или работ	Количество	Время, мин		Сведения по [5]
		един.	общ.
Взять заготовку, установить, закрепить, открепить деталь, отложить Переустановить заготовку в патроне. Включить и выключить станок кнопкой Провернуть револьверную головку в следующую позицию Подвести инструмент к детали Отвести инструмент в исходное положение Время измерения при 5% контроле партии n = 200 шт. (tизм )	1 1	0,12 0,10	0,12 0,10	Табл. 5.1 с. 197 Табл. 5.8, с.202 Табл.5.14, с.208
	tуст. = 0,22
	2+2 6 6 6	0,01 0,015 0,02 0,02	0,04 0,09 0,12 0,12
	tупр = 0,37
		0,2	0,02
Вспомогательное время tв = tуст + tупр + tизм = 0,22+0,37+0,02 = 0,61 мин
Установка резцов (по эталону) на многорезцовой державке попарно Установка резцов и зенкеров по эталону Установка упоров револьверной головки Получение инструмента, приспособлений, сдача на склад	4 2+2 6 12	2 1 1	8 4 6 7	Табл.6.3, с.215
Подготовительно-заключительное время tпз = 25мин

Полное штучно-калькуляционное время операции составит

t_шк.= t_оп+t_{о об}+t_д+t_нз./n = 2,11+0,08+0,13+30/200 = 2,45 мин.

Зарплата токаря-револьверщика III разряда с начислениями за обработку одной детали

З_с2 = t_шк2·К = 2,45·2,68 = 6,57 коп,

 

где К = 2,68 коп/мин ― [11, с. 429, табл.21].

Затраты, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования, приходящиеся на одну деталь, определим нормативным методом [11]:

З_обi.=t·K_i·M,

 

где t― станкоемкость, мин; К ― коэффициент машино-часа по [11, с. 429, табл.22] для многошпиндельного токарного полуавтомата К₁ = 2,2, а для токарно-револьверного станка К₂ = 1; М ― минутная стоимость работы станка, принятого за эталон. При двухсменной работе М = 0,594 коп/мин, [11, с. 431, табл.24].

Тогда

З_об1. = 0,55·2,2·0,594 = 0,72 коп,

З_об2. = 1,87·1,0·0,594 = 1,11 коп.

 

Все показатели технологической себестоимости сведем в таблицу 10

 

Таблица10

Показатели технологической себестоимости

Наименование показателей	Вариант
	I	II
Модель станка	1К282	1К341
Коэффициент машино-часа	2,2	1
Трудоемкость операции, нормо-минут	1,03	2,57
Станкоемкость операции, станко-минут	0,55	1,87
Разряд станочника	3	2
Зарплата станочника	2,76	6,57
Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования, коп.	0,72	1,11
Стоимость заготовки, коп.	206	206
Технологическая себестоимость, коп.	209,48	213,68

Сравнение показателей позволяет заключить, что выполнять операцию 05 на станке мод. 1К282 целесообразнее. Производительность труда повышается более чем вдвое, а технологическая себестоимость обработки оказывается ниже. После обработки партии деталей ТВС 1Н61―02―116 станок легко перестроить для обработки других деталей.

Другие примеры экономического сравнения и обоснования вариантов техпроцессов приводятся в [5, c.39―50; 7, c.197―208; 11] и пр.

15. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАЛАДОК ОБОРУДОВАНИЯ

Схемы технологических наладок оборудования разрабатывают для рабочих-наладчиков в условиях крупносерийного и массового производств, а при обработке сложных, дорогостоящих деталей – в условиях серийного и, даже, единичного производств. Наладки вычерчивают после того, как технологический процесс полностью разработан. На практических занятиях их составляют на одну подробно проработанную технологическую операцию, независимо то типа производства, конструкции детали и оборудования, для того, чтобы подтвердить, что студент хорошо представляет, как будет обрабатываться заготовка.

В комплект наладки входят: заготовка, инструмент, рабочая зона станка (оборудования) и станочного приспособления. Масштаб схемы может быть произвольным, но обязательно строчное соблюдение пропорций между всеми элементами схемы.

Первоначально вычерчивают заготовку в рабочем положении (смотреть со стороны рабочего-станочника). Контуры необрабатываемых поверхностей и сечений чертят синим цветом (карандашом, фломастером, шариковой ручкой и т.д.). Поверхности обрабатываемые (образующиеся на данном технологическом переходе) следует показывать красным цветом. Далее черными контурными линиями (простым карандашом) показывают элементы оборудования и оснастки. Обычный инструмент (резцы, фрезы, протяжки и др.) изображает в конечном положении, а инструмент для обработка отверстий (сверла, зенкера, развертки и пр.) ― в исходном.

На схеме приводят элементы приспособлений для крепления заготовки (кулачковые или цанговые патроны, центра, установочные и зажимные детали фрезерных приспособлений, кондукторные плиты сверлильных и т.д.) и элементы оборудования (передняя и задняя бабка, шпиндель, суппорт, стол, станина и пр.).

Наладки изображают в достаточном количестве проекций. Обязательно проставляют технологические размеры поверхностей, подлежащие выполнению на данном переходе. Все размеры проставляют с односторонними допусками: для валов ― в минус; для отверстий ― в плюс; для межцентровых расстояний и расстояниями между осями и базами ― плюс-минус (d _–Td, D^+Td, A±Ta). На каждую обрабатываемую поверхность с помощью условных символов ЕСКД ставят требуемую шероховатость. Если все поверхности обрабатывают с одинаковой шероховатостью, то ее указывает в правом верхнем углу схемы (или эскиза).

В необходимых случаях на схемах проставляют также размеры, необходимые для настройки инструмента и (или) размеры перемещений частей станка-циклограммы (быстрый подвод, рабочий ход, быстрый отвод и т.п.).

Кроме перечисленного схемы технологических наладок обязательно сопровождают следующей информацией:

— в левом верхнем углу формата шрифтом № 7 или 10 (по ГОСТ 2.304—68) пишут номер и наименование операции, наименование и модель станка, например: операция 05 — токарная, станок — токарный восьмишпиндельный полуавтомат мод. 1K282;

— в любом свободном месте по образцу, принятому на кафедре, вычерчивают таблицу с режимами обработки, в которой указывают: № позиции, № инструмента, его полное наименование, № стандарта и материал режущей части, глубину, подачу, скорость резания и частоту вращения шпинделя, а также основное время работы каждого инструмента и штучное время операции;

— особые технические требования к выполнению конкретной операции, если они диктуются необходимостью более полного понимания ее содержания (записывают обычно под схемой, слева от основной надписи).

Для первоначальной практики студентам достаточно составить схему технологической наладки на листе формата А1, А2 илиA3. При ее вычерчивании и оформлении следует руководствоваться образцами наладок, вывешенными (или из альбома) в кабинете курсового и дипломного проектирования.