Основні напрямки технології машинобудування

Машинобудування це базова галузь промисловості, яка забезпечує суспільне господарство держави найрізноманітнішими машинами та силовими агрегатами, апаратурою, устаткуванням, приладами, а також виробами культурно-побутового призначення. Саме розвиток машинобудування забезпечує зростання продуктивності суспільної праці, технічний прогрес, економічну незалежність та обороноздатність країни. Галузь науки, що займається дослідженням закономірностей технологічних процесів промислового виробництва з метою забезпечення якісно-кількісних показників відповідних виробів, з найвищим рівнем техніко-економічних показників, має назву – "Технологія машинобудування" [3]. Об’єктом технології машинобудування, як науки є технологічні процеси. Предметом технології машинобудування є встановлення зовнішніх та внутрішніх зв’язків, закономірностей технологічних процесів. Тільки базуючись на всебічному вивченні прогресивних технологічних процесів можливе забезпечення виготовлення виробів відповідної якості з мінімальними затратами. Становлення технології машинобудування, як наукової дисципліни пов’язано з труднощами, які викликані величезним різноманіттям об’єктів виробництва (від мініатюрних приладів, до екскаваторів, від найпростішого молотка до літака). Це, в свою чергу, викликало появу величезної кількості методів виготовлення виробів та надзвичайно широкого спектру обладнання для їх забезпечення. Базуючись на вивченні цих технологічних процесів створено вчення стосовно точності оброблення деталей, розкриті закономірності розмірних та часових зв’язків технологічних процесів, розроблені розрахункові 4 методи, сформовані основні поняття та визначення, створена методика розробки технологічних процесів [3]. Особливо важливим для розуміння всіх факторів, що впливають на економічні та службові характеристики машин та агрегатів є розуміння на стадії конструювання, понять та положень технології машинобудування, як науки. Виходячи з того, що технологія машинобудування – це наука про виготовлення машин потрібної якості в відповідності з виробничою програмою з мінімальними затратами праці, тобто при найменшій собівартості виробництва. Особливості конструювання в галузі сільськогосподарського машинобудування Конструювання машин за своєю суттю – це розробка механізмів з метою забезпечення цілеспрямованих рухів направлених на виконання заданих робіт з максимальною продуктивністю та мінімальними затратами енергії. Сучасне сільськогосподарське машинобудування розглядає всі машини, що використовуються в аграрній галузі, як мехатронні системами. Тому на стадії розробки і конструювання необхідно чітко розуміти, що мехатронна система є єдиним цілим механічної частини та засобів керування – електронної частини. При цьому механічна частина машини є об'єктом розробки та виготовлення машинобудівних підприємств, а електронні засоби керування, часто передаються підприємствам електронної промисловості. Технічний рівень машини – один з показників якості – характеризується ступенем досконалості машини, тобто потужністю, коефіцієнтом корисної дії, продуктивністю, економічністю, ступенем автоматизації, надійністю, точністю та безпекою роботи [3]. 5 Виріб (готова продукція) – це кінцевий продукт виробництва в машинобудуванні. В залежності від призначення виробництва виробом може бути комбайн, трактор, автомобіль, або інші машини та агрегати, а також вузли, або навіть деталі, в залежності від того, що є кінцевим продуктом цього виробництва. В процесі виробництва машини, агрегати, окремі деталі на різних стадіях виготовлення розглядаються як вироби. В залежності від складності вироби поділяються на вузли (складальні одиниці) та деталі. Для більш складних виробництв характерними є такі вироби як – комплекс, комплект, агрегат . Крім виробів основного виробництва розрізняють вироби допоміжного виробництва. Вироби допоміжного виробництва направлені на забезпечення внутрішніх потреб виробництва, до них відносяться інструмент, запчастини для ремонту власного обладнання, технологічна оснастка. Важливою характеристикою виробу є його якість. Під цим терміном розуміють сукупність властивостей, що обумовлюють його придатність задовольняти певні вимоги у відповідності з його призначенням. Залежно від складності в машинобудуванні розглядаються такі види виробів – деталь, складальна одиниця, комплекс, комплект, агрегат, машина (рис.1). Рис. 1. Структура виробів в сільскогосодарському машинобудуванні 6 Вироби, в залежності від наявності або відсутності в них складових частин, ділять на неспеціфікованні (деталі, що не мають складових частин), та специфіковані (складальні одиниці, комплекси, комплекти - складаються з двох і більше складових частин). Деталь це суцільний, первинний елемент виробу що характеризується відсутністю роз’ємних або нероз’ємних з’єднань (болт , гайка, колінчастий вал, а болт з накрученою гайкою вже є складальною одиницею). Деталь також може бути і просто виробом, а не тільки його частиною. Поверхні деталей, що мають призначення виконувати деякі робочі функції, називаються функціональними (виконавчими або робочими) - наприклад, бокова поверхня зуба зубчастого колеса, напрямні верстатів. Деталі, що призначені для збирання, мають поверхні які не спряжені між собою та поверхні, які нерухомо з’єднуються між собою, або забезпечують передачу рухів ковзанням, коченням, або коченням з просковзуванням – ці поверхні називають спряженими. Поверхні, що сполучаються, службовці для приєднання до даної деталі інших деталей, називаються допоміжними базами. Базові деталі - це деталі, які виконують у вузлі роль ланки, яка забезпечує при складанні відповідне відносне положення інших деталей (наприклад - рама комбайна, корпус редуктора і т.п.). Складальна одиниця (вузол) – це роз’ємне або нероз’ємне з’єднання деталей, що входять до складу виробу. Складальна одиниця (вузол) залежно від її конструкції може складатись з окремих деталей, або зі складальних одиниць (вузлів) і деталей. Комплекс – це два і більше специфікованих вироби ( що мають специфікацію і складаються з двох і більше складових частин), не з’єднаних на машинобудівному заводі – виробнику складальними 7 операціями, але призначених для виконання взаємопов’язаних експлуатаційних функцій . Наприклад, автоматична лінія. Комплект – це два, або більше виробів, які як і комплекс на заводі – виробнику не з’єднані складальними операціями і які мають загальне експлуатаційне призначення. Наприклад комплекти запасних частин, інструментів, вимірювальних приладів. Агрегат – це складальна одиниця, якій притаманні повна взаємозамінність, можливість складання окремо від інших складових частин виробу (або виробу в цілому) і здатність виконувати певну функцію у виробі, або самостійно. Наприклад – мотор-редуктор. В залежності від наявності або відсутності у виробах складових частин розрізняють вироби неспецифіковані, тобто такі, що не мають складових частин і специфіковані, що складаються з двох і більше складових частин (складальні одиниці, комплекти , комплекси). На кожній деталі, яка призначена для складання вузлів машин та агрегатів, розрізняють поверхні по яким відбувається з’єднання. Перші при складанні утворюють спряження (з’єднання). Спряжувані поверхні деталей по яким відбувається з’єднання однієї деталі до іншої називаються основними базами. Наприклад, поверхні головки блока циліндра і блока циліндра, або поверхні коробки швидкостей верстата і станини, де кріпиться корпус коробки та ін. При складанні з’єднань основні бази однієї деталі опираються на допоміжні бази іншої. Наприклад, у верстаті поверхня на станині, де кріпиться корпус коробки – допоміжна база. Отвір вкладиша, де розміщується шпиндель верстату – допоміжна база, а поверхня шпинделя основна. Розрізняють також функціональні поверхні, призначення яких забезпечення виконання певних робочих функцій, їх ще називають виконуючими, або робочими. Наприклад, поверхня рейки по якій 8 переміщується колесо вагонетки, шківа пасової передачі, поверхні зубців шестерень по яким відбувається зачеплення, поверхня упорної різі гвинтових механізмів. Не обов’язково функціональна поверхня повинна бути спряженою, як, наприклад, поверхня колеса автомобіля. Інші поверхні деталі, які вільні в просторі відносно інших деталей та вузлів, тобто не є спряженими, лише забезпечують надання деталі певної форми, розмірів та маси. Як правило такі поверхні оброблюються з невисокою точністю, або взагалі не підлягають механічній обробленні. Деталі, які в процесі виконання своїх функціональних призначень обертаються з високою частотою врівноважуються по масі відносно осі обертання (балансуються). Поверхні заготовок після операцій оброблення тиском або литва, як правило, підлягають зачисним операціям. Конструкторська підготовка виробництва Особливістю виробничого процесу в аграрному секторі є його сезонність, що накладає певну циклічність випуску машин агрегатів та запчастин в машинобудівній сільськогосподарській галузі. Тому виробничий процес може в тій, чи іншій мірі переорієнтовуватись або на виготовлення виробів, або їх ремонту та випуску запчастин. До складу виробничого процесу входять всі дії з виготовлення виробів, транспортування та зберігання матеріалів, виготовлення інструменту, ремонт верстатів, випробування, пофарбування, а також звіт, звітність і всі роботи по технічній підготовці виробництва. Процес технічної підготовки включає в себе: 1) конструкторську підготовку виробництва (розробка конструкції та технічної документації); 2) технологічну підготовку виробництва: забезпечення технологічності конструкції виробів, розробка технологічних процесів, проектування та виготовлення технологічної оснастки, тощо; 9 3) календарне планування виробничого процесу, що, як відмічалось раніше, має циклічний сезонний характер. (терміни випуску, об'єм , затрати). Відповідно до основ машинобудування технологічний процес – це частина виробничого процесу, що складається з дій по зміні розмірів, форми, зовнішнього вигляду, або внутрішніх властивостей предмета виробництва та їх контроль. Технологічні процеси будуються за окремими методиками їх виконання (процеси механічної оброблення, складання, лиття, термічної оброблення, нанесення покриттів і ін.). Технологічна операція – це закінчена частина технологічного процесу, яка виконується безперервно на одному робочому місці з одним, або кількома одночасно оброблюваними виробами, одним, або декількома робітниками. Наприклад: оброблення валу в центрах на токарному верстаті можна виконати за одну або за дві операції, виходячи з організаційної доцільності. Технологічна операція є основною одиницею виробничого планування та обліку. На основі її собівартості встановлюються трудомісткість виготовлення виробів, норми часу, розцінки, розрахунок кількості робітників, верстатів, обладнання, інструментів, виконується календарне планування виробництва, строки виконання. В умовах автоматизованого виробництва під терміном операція розуміють закінчену частину технологічного процесу, що виконується безперервно на автоматичній лінії, яка складається з декількох верстатів, зв’язаних автоматично діючими транспортно-завантажувальними пристроями. До складу технологічного процесу в потоковому виробництві, особливо при обробленні на автоматичних лініях і в гнучких 10 технологічних комплексах, включаються допоміжні операції необхідні для виконання технологічної операції (транспортування, контроль, маркування, видалення стружки та ін.). З точки зору першої складової технологічного процесу під час конструкторської підготовки при розробці технічної документації визначальним є вибір матеріалу. При цьому конструктор повинен спиратись на умови роботи деталі забезпечуючи відповідний перелік службових характеристик матеріалу, які повинні гарантувати необхідний ресурс роботи деталей та вузлів, а також заданий рівень надійності. Надійність роботи машин визначається досконалістю їх конструкції та технології виготовлення, що передбачає використання відповідних конструкційних матеріалів, прогресивних технологічних процесів виготовлення і методів зміцнення деталей машин. При цьому потрібно враховувати різноманітність умов експлуатації окремих деталей машин, основними з яких є процес спрацювання, дія хімічно активних середовищ, циклічних навантажень тощо. Отже, розроблюваний технологічний процес має забезпечувати високу якість термічного оброблення деталі не тільки на завершальному етапі, а й передбачати попередні операції (нормалізація, відпалювання), які забезпечують оброблюваність заготовки різальним інструментом і відповідну структуру перед термічним обробленням. Якщо для вуглецевих і низьковуглецевих сталей достатньо провести попередню нормалізацію заготовок, то для високовуглецевих і легованих сталей потрібно попереднє відпалювання (для деяких легованих сталей застосовують ізотермічний відпал). Для найбільш відповідальних деталей двигунів та ходової частини автомобілів та автобусів проводять гомогенізаційний відпал, з метою забезпечення ізотропії властивостей металу заготовки. 11 При виборі матеріалу заготовки необхідно враховувати умови роботи деталі: - наявність динамічних та знакозмінних навантажень; - тертя кочення або ковзання; - наявність змащуючого середовища (подача оливи під тиском); - відкриті передачі , які працюють при наявності абразиву. - наявність агресивних середовищ та високих температур. Деталі, що працюють в умовах тертя за наявності мастил та дії ударних навантажень(поршневі пальці, шестерні КЗП) виготовляють із низьковуглецевих сталей марок 12ХН3А, 15ХГТ, 20Х, 25ХГТ, 20ХГР, 20ХН3А. Після хіміко-термічної обробки (цементація, нітроцементація) твердість на поверхні деталі досягає 56...58 HRC з в’язкою серцевиною. Високомодульні шестерні, плунжери, гільзи, вали, втулки, штоки, що також працюють в умовах тертя за наявності мастил та знакозмінних навантажень виготовляють із середньовуглецевих легованих сталей марок 38ХМЮА, 60, 50Г2, 40ХН2МА, 45ХН, 30ХГТ, які після поверхневого гартування мають твердість поверхні 50...56 HRC з в’язкою серцевиною. Для деталей з менш жорсткими навантаженнями використовують сталі 45, 38ХС, 50, 45ХН, які після термічної обробки – покращення мають твердість 38...45 HRC До деталей, що працюють в умовах абразивного спрацювання належать леміші плугів, сошники сівалок, лапи і диски культиваторів, зуби борін, ківші екскаваторів та ін. Для забезпечення зносостійкості таких деталей потрібно максимально підняти їх твердість за рахунок гартування та низького відпуску. Для цих деталей використовують переважно середньовуглецеві (0,55…0,70%С), а також леговані (60С2, 65Г, 70Г) сталі. Після термічної обробки вони повинні мати твердість 50…56 HRC. 12 Для деталей, що працюють в умовах абразивного спрацювання та динамічних навантажень (ланки гусениць, зуби і ковші екскаваторів, залізничні стрілки), використовують леговану сталь аустенітного класу 110Г13Л. Таку сталь гартують з нагріванням до температури аустенітизації 1050…1100°С з наступним охолодженням у воді. В умовах циклічних навантажень працюють пружини, ресори, для яких використовують середньовуглецеві сталі 65Г, 50ХФА, 60С2А, 70С2ХА, 60С2ХФА. Деталі з таких сталей піддають гартуванню з середнім відпуском (400...480°С) на твердість 35…45 HRC. Шатуни, шатунні болти, гайки, вали, напіввісі автомобілів працюють в умовах знакозмінних навантажень. Такі деталі виготовляють із середньовуглецевих низьколегованих сталей 45Г, 40ХН, 45ХН, 38ХМА, які забезпечують підвищену міцність при втомі деталей. Вони підлягають гартуванню та високому відпуску (твердість 30...35 HRC). Для деталей, що працюють в умовах сухого тертя ковзання (сегменти різального апарата, ножі і молотки подрібнювачів), використовують високовуглецеві сталі У7А, У8А, У9А та низьколеговані сталі (65Г, 60С2А). Після гартування з низьким відпуском вони мають твердість 55...61 HRC. В умовах агресивних середовищ та високих температур працюють деталі сільськогосподарських машин (для внесення добрив, оприскувачів), клапани та колектори двигунів внутрішнього згоряння. Для цього використовують корозійностійкі сталі (Х13, Х17 та ін.) і кольорові сплави (латуні, бронзи), сталі, леговані хромом, силіцієм, молібденом, ванадієм (40Х9С2, 40Х10С2М, 30ХН2МФА, 30Х3МФ). Крім того необхідно враховувати економічні показники виробництва, металоємкість продукції, а також технологічні характеристики матеріалу, щоб забезпечити мінімальну складність виготовлення та складання окремих деталей. Так, наприклад, чавун - який 13 є високотехнологічним ливарним сплавом, з високим рівнем механічних та антифрикційних властивостей , в той же час абсолютно не піддається зварюванню. При складанні технологічних процесів виготовлення виробів технологічний процес розділяють на складові частини – елементи