Технологичность конструкций деталей при механической обработке и сборке

Технологичность конструкций деталей при механической обработке зависит от характера производства, оборудования и ряда других факторов. Поэтому единый подход здесь невозможен. Однако можно отметить ряд общих положений, которые создают предпосылки для конструирования технологически рациональных деталей в различных производствах. Оптимальные условия создаются в том случае, когда максимальное число обрабатываемых деталей охватывается минимальным количеством технологических решений. Это приводит к типизации технологических процессов и к снижению затрат.

При отработке конструкций деталей на технологичность имеют в виду следующее:

- уменьшение числа деталей и узлов; подобие конструктивных форм заготовки и детали; уменьшение числа переустановок при механической обработке; сокращение объема и упрощение механической обработки; правильный выбор материала (его обрабатываемость) и заготовки (сокращение механической обработки);

- простановку размеров в зависимости от характера механической обработки и расположения баз;

- правильный выбор базовых поверхностей и максимальное совмещение конструкторских, технологических и метрологических баз; сквозную обработку поверхностей; исключение обработки торцов внутри корпусов; жесткость деталей для успешной механообработки; расчленение или объединение деталей при обработке на станках с ЧПУ; предусмотрение канавок для выхода инструмента;

- создание условий для повышения жесткости и стойкости инструмента (свободный выход, доступность поверхности);

- минимальное количество разнообразия отверстий, выточек и резьбовых отверстий в корпусных деталях;

- четкое разграничение поверхностей, подлежащих механической обработке; расположение соосных отверстий в порядке уменьшения диаметров; исключение несквозных отверстий и обработки нерабочих поверхностей (т.е. изготовление без резания);

- отказ от обрабатываемых поверхностей, расположенных наклонно относительно главных осей, и др.

В табл. 2.3 приведены некоторые способы повышения технологичности конструкций деталей при механической обработке.

Важным условием обеспечения технологичности является исключение обработки торцов, канавок и других поверхностей внутри корпуса. В вариантах II (схемы 1, а и в) это выполнено за счет использования уже обработанных стаканов 1 и 2. Вариант I (схема 1, б) сложной обработки проточки под пружинное колесо (радиальным перемещением резца) заменен вариантом II обработки выточки 1 на торце корпуса.

Расчленение деталей в варианте II (схема 2, а и б) существенно облегчает получение труднообрабатываемых, например, наружных цилиндрических поверхностей в корпусах и сложных отверстий для обеспечения соосности (варианты I).

Четкое разграничение обрабатываемых поверхностей в вариантах II (схемы 3, а - в) улучшает условия резания, повышает стойкость инструмента и точность по сравнению с вариантами I.

Обеспечение базирования, особенно не удобных для обработки деталей, предусмотрение специальных приливов 1 и 2 (схемы 4) является необходимым условием получения высококачественной поверхности. Здесь важно обеспечить условия обработки за один установ (вариант II), работу на проход и т.п.

Повышение жесткости протяженных деталей типа крышек, коробок важно для создания нормальных условий при резании (схемы 5). В варианте II (схема 5, а) это обеспечивается за счет ребер 1 в крышке. В конструкции крупногабаритной планшайбы жесткое крепление двух ее половин 1 и 2 (схема 5, б) за счет использования клина 3 и хорошего доступа к болтам крепления гарантирует точность обработки и ее сохранение при монтаже.

При обработке точных поверхностей крупногабаритных деталей (планшайб, стоек и др.), а также весьма сложных поверхностей типа червячных реек, винтов хорошие результаты дает использование самотвердеющих пластмасс. В варианте I (схема б) эпоксидный компаунд 4 наносится на рабочую поверхность планшайбы 1, после чего для окончательного формирования рабочей плоскости на ней устанавливают на компенсаторах 2 груз 3 (или сопряженную деталь, например основание). После затвердения смеси получаются готовые круговые направляющие планшайбы. В варианте II формирование рабочих профилей реек 1 происходит аналогично с помощью эталонного червяка 2 и эпоксидного компаунда 3.

При обработке корпусных деталей важной стороной обеспечения технологичности является рациональное размещение отверстий (схемы 7). Следует избегать отверстий, длина которых превышает диаметр в 8 - 10 раз; в соосных отверстиях их диаметры (d₁, d₃, d₂, схема I) должны уменьшаться в одном направлении (схема II). Более технологична (обработка без поворота стола) корпусная деталь, в которой d₁₁ > d₁₂ и d₂₁> d₂₂, т.е. диаметры уменьшаются в одном направлении. При получении резьбовых отверстий важно обеспечить правильный выход инструмента (схема 7, в, II), исключить обработку в наклонных и труднодоступных поверхностях. Совместная обработка нескольких деталей (схема 7, г, I) в собранном виде исключает взаимозаменяемость и ухудшает ремонтопригодность, и ее желательно исключить (вариант II).

Сокращение числа и уменьшение размеров обрабатываемых поверхностей улучшает технологичность. В схемах 8, а и б, II это достигается за счет литейного обнижения 1. Технологичность конструкции детали при механической обработке значительно зависит от оборудования, на котором изготовляются детали. При обработке на станках с ЧПУ параметры, характеризующие технологичность, существенно отличаются от параметров, характерных для обработки на станках с ручным управлением. Например, для станков с ЧПУ усложнение формы детали предпочтительнее увеличения числа инструментов, требуемых для ее обработки.

Расположение бобышек на одном уровне (схемы 9, а и б, II) уменьшает количество позиционируемых перемещений и повышает технологичность конструкции детали.

Важным является исключение обработки с двух сторон, например отверстий по схемам 10, а, б, I. В конструкциях по вариантам 11 обработка возможна с одной стороны.

Уменьшение числа инструментов расширяет номенклатуру деталей, получаемых на данном станке с ЧПУ. Например, предпочтительнее иметь несоосные отверстия (схема 11, а, II), но с одинаковыми резьбовыми отверстиями d₁, чем соосные отверстия и разные резьбовые отверстия d₁ и d₂ (вариант I). При обработке зубчатых колес предпочтительной является форма обода, получение которой обеспечивается тем же самым инструментом, что и других поверхностей колеса (схема 11, б, II). Увеличение величины сбега резьбы I (схема 11, в, II) позволяет отказаться от выточки (вариант I) и уменьшить количество инструментов

Расположение отверстий во внешних стенках (схема 12, а, II) позволяет применять короткий инструмент, что повышает жесткость и точность. Этой же цели служит изменение конструкции детали с таким расчетом, чтобы труднообрабатываемое отверстие d₁ можно было обработать достаточно жестким инструментом (схема 12, б, II).

Разграничение поверхностей (схемы 13, а и б, II), доступ инструмента (схема 13, в, II), создание условий для свободного выхода инструмента (схема 13, г, II) являются необходимыми условиями процесса изготовления точных поверхностей. Обработка за один установ (схемы 14, а и б, II) позволяет повысить точность и эффективность использования оборудования.

Уменьшение расхода металла за счет рациональной конструкции (схемы 15, а - в, II) - составная и важная часть повышения технологичности конструкции детали при механической обработке. Этому служит также упрощение механической обработки (схемы 16, а, II, III и 16, б, II). Симметричность конструкций, простановка точных размеров от основных технологических баз, выбор методов центрирования и формы центрирующих отверстий и другие меры для снижения затрат направлены на повышение технологичности.

Технологичность конструкций изделий при сборке. В машиностроительном производстве трудоемкость сборочных работ может превышать 50 % общей трудоемкости изготовления. Технологические предпосылки конструирования применительно к сборке исходят из взаимозаменяемости, компенсирования и регулирования, размерного анализа, уменьшения многозвенности, расчленения конструкции на самостоятельные сборочные единицы, изменения способов соединений, сопряжений и креплений, рационального центрирования и базирования сопряженных деталей и узлов, сокращения крепежных элементов, уменьшения числа деталей в сборке и в изделии, создания удобства зачаливания и установки тяжелых деталей, обеспечения геометрической определенности установки деталей за счет формы и расположения базовых и центрирующих поверхностей, устранения пригонки, упрощения сборочных операций (последовательной установкой деталей в сборочную единицу, введением разъемов для электрических кабелей и гидравлических шлангов и др.).

Модульный принцип конструирования станков, агрегатирование и стандартизация отдельных частей позволяют разбить общую сборку на отдельные операции, а следовательно, снижают затраты. В табл. 2.4 приведены распространенные в машиностроении методы повышения технологичности конструкции изделий в сборочных операциях.

 

Компенсирование (схемы 7) используется для снижения точности изготовления деталей, а также для уменьшения влияния эксплуатации на работоспособность. Компенсатор 7 позволяет снизить точность изготовления линейных размеров деталей (схемы 7, а). Причем схема 77 предпочтительнее, так как в этом случае легче измерить толщину компенсатора. Если компенсаторы используют для уменьшения влияния износа, то важно, чтобы обеспечивалось уменьшение толщины компенсатора, а не его наращивание. В схемах 1,6 и в компенсируются погрешности осевой и радиальной установки (е - эксцентриситет) валов.

Для упрощения сборки изделия и повышения технологичности его конструкции при эксплуатации часто используют регулирование. Так, при осевом перемещении втулки 1 (схема 2, а) регулируется зазор в подшипнике скольжения. У привода подачи с шариковой винтовой передачей для повышения жесткости на концах винта предусмотрены осевые опоры 7 и 2 (схема 2, б, 7), между которыми винту дается предварительное растяжение. Для этого служат компенсатор 1 (вариант II) и гайка 2.

Часто размерный анализ конструкции позволяет исключить необоснованно высокие требования к детали. Например, в схеме 3, I размер А образуется из трех размеров, а в варианте II — только из одного

Определенность установки уменьшает опасность влияния недостаточного качества сборки, квалификации рабочего на эксплуатацию. Так, при затягивании гайки 2 (схема 4, Г) возможен зажим (по торцам) поворотного рычага 1 (из-за деформаций щек 3 и 4 кронштейна). В схеме II этот недостаток устранен.

Способы сопряжений, закреплений, соединений оказывают большое влияние на трудоемкость изделия в сборочных операциях. В варианте 7 сопряжений (схемы 5, а) не обеспечивается правильное положение рабочего торца 2 кольца 7, так как отсутствует его базирование, как в варианте II по торцу 3. В варианте 7 схемы 5, б вал имеет один диаметр d и монтаж деталей на нем затруднен, а в варианте II подшипники и зубчатые колеса устанавливаются на разных поверхностях.

При закреплении планки 1 винтами с потайными головками (схема 6, а, I) очень трудно обеспечить совпадение конических отверстий планки 1 и головок винтов, что упрощено в варианте II. Фиксирование колес с помощью винта 1 (схема 6, б, I) не гарантирует нормальной разборки - сборки, так как на валу образуется вспучивание металла. Закрепление детали гайкой 1 (схема б, в, I) на валу, имеющем диаметр, равный диаметру резьбы, также ухудшает условия монтажа, поскольку при затягивании гайки не исключается вспучивание резьбы и затруднено снятие детали 2, что исключено в варианте II.

Условия монтажа существенно зависят от вида соединений деталей. На пример, в схеме 7,1 передача момента осуществляется шпонкой, а в схеме II как центрирование колеса, так и передача момента осуществляются с помощью гофрированной втулки 1, обеспечивающей беззазорное соединение. В схеме III соединение колеса с валом клеевое У, а в схеме IV- адгезионное полимербетоном, из которого выполнен вал У с колесом.

В тяжелых и точных станках при больших трудностях обеспечения относительного положения деталей использование самотвердеющих пластмасс упрощает сборку. В схеме 8, а положение направляющих стойки У (параллельность направляющих оси вращения планшайбы 2) обеспечивается при предварительной выставке стойки и заливке зазора между станиной и стойкой самотвердеющей пластмассой 3. Аналогично обеспечивают соосность передней У и задней 2 бабок (схема 8, б). Установка каленых планок направляющих качения существенно упрощается, если их положение определяется выставкой, а зазор между шпонкой 2 и планкой У заполняется эпоксидным компаундом (схема 8, в).

Упрощение сборочных операций осуществляется за счет удобства монтажа устранения пригонки, создания подсборок, расчленения конструкции. Разборка вала по схеме 9, а, I требует демонтажа шпонки, которая выступает на величину А; в схеме II этот недостаток ус гранен. Удобство монтажа двигателя зависит от возможности его зачаливания (схема 9, б, II).

Устранение пригонки зубчатого колеса 1 на валу (схема 10, а, II) или вала 1 в корпусе (схема 10, б, II), когда не требуется подгонять две шпонки, существенно упрощает сборку.

Монтаж в виде подсборок (схема У У, II) дает возможность проводить параллельную сборку и упрощает сборочные операции. Расчленение конструкции (схема 12, II), при которой сборка сложных узлов (например, коробок скоростей, шпинделей) производится автономно в своих корпусах, а не в громоздких деталях, снижает трудоемкость и повышает качество сборочных работ.

Очень важным является центрирование деталей, работа которых зависит от правильного положения относительно других деталей. Это относится, например, к лабиринтному уплотнению во фланце У (схема 13, а, II), которое хорошо работает только при равномерном кольцеобразном зазоре. В схеме 13, б, II гидростатической опоры крышка У, образующая осевую опору, центрируется на втулке 2, обеспечивая качественный монтаж.

Правильное базирование деталей также является условием качественной сборки. Например, избыточные связи при базировании по двум диаметрам d₁ и di (схема 14, а, Г) затрудняют сборку, что исправлено в схеме II. Часто не предусматривают базы для кольца упорного подшипника (схема 14, б, I), что приводит к неправильной работе подшипника, так как при монтаже не исключено смещение колец У от требуемого для нормальной работы положения. При базировании колец по схеме II этот недостаток устранен.

Для упрощения сборки должна обеспечиваться последовательная установка поверхностей В схеме 15,1 вал I входит в отверстие корпуса одновременно двумя диаметрами, что создает трудности сборки (правильный монтаж по схеме II). Аналогичный недостаток имеет схема 15, б монтажа вала 1 с подшипниками.

Большие удобства для сборщиков создает установка собранных валов в корпус коробки (схемы 16). В этом случае валы полностью собираются отдельно на верстаках, что обеспечивает соответствующее качество.

Допуски на детали. Большее влияние на технологичность конструкции изделия как при механической обработке, так и при сборке оказывают допуски на детали. При жестких допусках имеют место большие расходы, что, однако, не всегда положительно сказывается на работоспособности машин. Известны случаи, когда принудительный отбор деталей, например по созданию более тугих сопряжений и более точных форм, нередко снижает динамические характеристики станка вследствие ухудшения демпфирования. Некоторые возможности снижения требований к допускам приведены в табл. 2.5.

Применение другого рабочего принципа функционирования узла дает возможность существенно пересмотреть допуски. Например, в схеме 1,1 гидростатического шпиндельного узла нужно выдержать зазор в осевых подшипниках в весьма узких пределах (±5 мкм). Изменением принципа работы и заменой замкнутой осевой опоры разомкнутой (схема II) с предварительной нагрузкой гидроцилиндром исключается необходимость обеспечения осевого зазора, который в данном случае устанавливается автоматически.

 

 

 

Юстировка узлов и деталей является наиболее распространенным способом снижения требований к допустимым отклонениям. Так, выставка суппорта 1 (схема 2) для обеспечения минимального перекоса а шпинделя производится применением клиньев 2 направляющих. Аналогичный эффект дает настройка требуемого параметра, например, зазора в направляющих 1 (схема 3).

Использование упругости является широко распространенным методом уменьшения требований к точности элементов направляющих тяжелых станков (схема 4), обеспечения заданного натяга в шпиндельных подшипниках и т.п. При необходимости создавать точные поверхности, прилегающие к разным деталям, например, планок 1 направляющих (схема 5), реализуется компенсация допусков пазами 2 элементов, которые дают возможность как изменять качество обработки каждой поверхности, так и осуществлять подгонку каждой из них отдельно.

Устранение двойной подгонки исключает статическую неопределимость и существенно упрощает сборку. В схеме 6, а для этой цели одна из опор 1 вала выполнена плавающей, а в схеме б, б V-образная направляющая 1 сочетается с плоской (а не со второй V-образной), что также снижает требования к точности обработки.

Примеры технологически нерациональных конструкций (рис. 2.1). Обработка выточки 1 по схеме I (рис. 2.1, а) нерациональна, так как остается тонкая перемычка b, в которой может возникнуть скол. Схемы II и III лучше, причем схема II более рациональна, когда обрабатывается плоскость 1 для нескольких отверстий.

В отверстии детали, показанной на рис. 2.1, б, для улучшения условий работы предусмотрена фаска. Однако в схеме I при сборке можно перепутать сопряжения, так как фаска предусмотрена с одной стороны. Этого недостатка лишена схема II, т.е. лучше предусмотреть либо полную симметрию, либо явпую асимметрию детали.

В схеме I на рис. 2.1, в для обработки поверхности диаметром D_фР требуется дополнительный инструмент, а на рис. 2.1, г контур литой бобышки совпадает с контуром фланца 1, и отклонения размеров литья вызовут не только ухудшение внешнего вида, но и трудности размещения резьбовых отверстий, что исключено в схеме II.

В схеме II на рис. 2.1,6 втулка I более проста в изготовлении, однако если требуется точное положение торца, то схема I более технологична. Обработка детали по схеме II на рис. 2.1, е более технологична, так как в ней предусмотрено отверстие 1, благодаря чему исключается скорость резания, близкая к О (на оси детали).

 

При установке литых крышек 1 и 2 (рис. 2.1, ж) размер а между ними должен быть не менее 10... 12 мм, в противном случае значительнее погрешность литья (ухудшается внешний вид), кроме того, могут быть трудности с размещением крышек.

Обработка шпоночного отверстия по схеме I (рис. 2.1, з) затруднена, так как не предусмотрена возможность для выхода инструмента, что исправлено в схемах II и III. Растачивание отверстий в закрытой полости по схеме I (рис. 2 1, и) менее технологично, чем в открытой (схема II). Высота бобышки 3...4 мм (рис. 2.1, к, I) не гарантирует качества обработки, и возможно полное удаление бобышки при подрезании торца.

Фиксация зубчатого колеса в осевом направлении по схеме II (рис. 2.1, л) предпочтительнее, особенно если устанавливается на вал покупного изделия (двигателя и др.). Нерациональна конструкция изделия, показанного на рис. 2.1, м, если размер b = 2...4 мм. В этом случае погрешности литья и линейных размеров могут приводить к касанию торца зубчатого колеса бобышки.

Установка двух зубчатых колес на одной шпонке (рис. 2.1, н, II) более технологична, чем на двух (схема I). Более точное центрирование достигается на меньшем диаметре по схеме II на рис. 2.1, о.