Методические указания. по выполнению выпускной квалификационной работы бакалавра

Целью данного раздела является краткая информация о содержании выпускной квалификационной работы.

Для этого необходимо:

- привести краткую характеристику машины, механизма или технологического оборудования (например, кузнечно-прессового), в узлах которого эксплуатируется деталь или инструмент и для которых будет разрабатываться технологический процесс;

- указать перспективы модернизации данной машины или оборудования и сопоставить ее характеристики с зарубежными аналогами;

- показать какие технические решения предложены по совершенствованию технологического процесса изготовления и обработки детали или инструмента по сравнению с базовым вариантом;

- показать, как предложенные решения по замене материала или технологии упрочнения повлияют на технические характеристики выпускаемых машин или технологического оборудования, а также состояние производства.

Так как во введении должен быть представлен конкретный материал по результатам предложенных технических решений, то его целесообразно писать после завершения основной части ВКР.

3.2. Анализ состояния производства на базовом предприятии

Основой для принятия технических решений, которые могут быть предложены по совершенствованию технологического процесса изготовления и упрочнения конкретной детали машины или инструмента, используемого для формоизменения заготовки при изготовлении детали, является анализ состояния производства на базовом предприятии, где студент проходил технологическую практику.

Анализ состояния производства сводится, прежде всего, к описанию материала, используемого для изготовления конкретной детали или инструмента. При этом следует обратить внимание на такие показатели, как его стоимость, технологичность при формоизменяющих и термических операциях, обеспечение стабильного комплекса физико-механических свойств в течение всего ресурса работы. Описать технологические процессы изготовления детали или инструмента по основным формоизменяющим операциям и упрочняющей обработке с целью получения требуемого комплекса механических свойств, а также оборудование, на котором они выполняются. К недостаткам существующего производства можно отнести применение морально и физически устаревшего оборудования, не позволяющего осуществлять прогрессивные методы обработки и обеспечивать одинаково высокое качество, как на единичных деталях, так и при крупносерийном производстве. Следует проанализировать применение на базовом предприятии технологий, связанных с выбросами токсичных веществ в атмосферу, а также технологические процессы, в которых преобладает большая доля ручного труда и которые требуют больших затрат времени, электроэнергии или технологических материалов.

Таким образом, задачей данного раздела является выявление недостатков существующего производства и определение направлений его совершенствования.

3.3. Расчет годовой производственной программы

Расчет годовой программы термического подразделения позволяет определить тип и количество основного термического оборудования для выполнения технологических операций. Следует знать, что количество обрабатываемых в термическом подразделении деталей превышает потребность при сборке машин, так как их необходимо дополнительно учитывать на отладку технологического процесса и выпуск запасных частей (деталей).

Программу А термического подразделения для данной детали (инструмента) в штуках рассчитывают по формуле:

,

где П - годовая программа выпуска машин, шт.;

n - количество однотипных деталей в узле машины или механизма, шт.;

a - количество деталей, необходимых на отработку технологического процесса, % (принимается 0,5...1,5 % в зависимости от сложности технологического процесса);

b - количество запасных частей, % (принимается в соответствии с планами базового предприятия).

Годовая производственная программа термического подразделения приводится в виде таблицы, в которой следует указать базовую и проектную марку стали, габаритные размеры детали, необходимые для выбора приспособления и типа оборудования, а также массу и программу выпуска деталей в штуках и тоннах, исходя из годовой программы выпуска машин.

3.4. Выбор материала

Рациональный выбор материала для изготовления деталей машин или инструментов является важной составной частью технологического процесса. При выборе материала для конкретной детали основными требованиями являются: обеспечение конструкционной прочности, его технологические свойства и соответствие требованиям экономической эффективности. Выбор материала должен осуществляться согласно техническим условиям (ТУ) на готовую продукцию, которые разрабатываются на основе конструкторских расчетов при проектировании детали или инструмента и уточняются в период эксплуатации. ТУ представляют собой комплекс требований, включая механические и эксплуатационные свойства, которыми должна обладать деталь для обеспечения безотказной её работы в течение расчетного времени эксплуатации.

При выполнении ВКР в качестве детали, для которой разрабатывается техпроцесс, руководителем часто назначается деталь из группы, так называемых унифицированных. Под унифицированными понимают детали, которые многократно повторяются в различных по назначению и конструкции машинах и технологическом оборудовании. Примером таких деталей могут служить шестерни, валы, оси, пружины, рессоры, болты, гайки. Как правило, материал для унифицированных деталей уже известен и он апробирован на производстве. В этом случае студенту необходимо обосновать целесообразность использования указанного на чертеже детали или инструмента материала и подобрать ему подходящий материал-заменитель, который обеспечит требуемый комплекс свойств согласно ТУ.

Произвести выбор с помощью простого сопоставления механических, эксплуатационных, технологических свойств, включая стоимость материала, является непростой задачей. В таких случаях возникает необходимость использования какого–либо обобщенного (комплексного) показателя, характеризующего комплекс свойств материала в целом. Решение подобного рода задач с применением разных методик, основанных на использовании различного рода количественных критериев, в число которых входит метод экспертных оценок, обобщенная функция желательности Харрингтона, выбор на основе анализа матрицы решений и др. подробно рассмотрено в метод. пособии авт. И.В.Тихоновой, С.И. Архангельского, Е.М. Гринберга «Выбор материалов для деталей машин».

При выборе материала необходимо учитывать также его технологичность в условиях конкретного производства.

3.4.1. Условия работы детали

Требуемый комплекс свойств зависит от условий работы детали в узле машины и предопределяет выбор материала и технологию упрочнения. Комплекс свойств, которым должна обладать деталь в готовом виде, устанавливает конструктор на основании расчетов и анализа ее работы в узле машины.

В пояснительной записке необходимо привести чертеж (эскиз) детали или инструмента, для которых разрабатывается технологический процесс с указанием габаритных размеров, без которых невозможно спроектировать приспособление для загрузки партии (садки) деталей в печь, а также выбрать соответствующее по размерам рабочего пространства термическое оборудование.

Анализ работы детали в узле машины или механизма удобно проводить с использованием кинематической схемы, на которой проявляется взаимодействие данной детали с остальными, что дает возможность составить схему действующих сил, вызывающих в анализируемой детали напряжения, изгибающие или крутящие моменты. Построенные эпюры напряжений позволяют выделить опасные сечения, в которых рассчитывают значения номинальных напряжений и производят расчеты на прочность с определением основных характеристик механических свойств. Оценить надежность детали (узла) в зависимости от уровня прочности материала. Указать другие свойства, которыми должен обладать материал. Если студент затрудняется выполнить указанные расчеты, он должен ознакомиться с ними на базовом предприятии в отделе главного конструктора в период прохождения практики. Альтернативным вариантом, который является посильным для студента 4-го курса обучения, может служить использование справочника «Расчет на прочность деталей машин» (авт.И.А.Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б.Иосилевич).

Для обоснованного выбора материала важно раскрыть критерии работы детали или инструмента:

- характер нагружения (статический, динамический, циклический), который определяет свой тип разрушения;

- тип трения (трение скольжения или трение качения), из которого следует подбор материалов «пары трения», которая обеспечит минимальный износ деталей сопряжения;

- температурные условия работы детали (низкие климатические, нормальные температурные, повышенные температуры), которые определяются температурным порогом хладноломкости, состоянием смазки в узле машины, характеристиками жаропрочности и др.;

- характер внешней среды (обычные условия, масляная ванна, влажная атмосфера, морская вода и т. п.), определяющий воздействие рабочей среды на поверхностный слой материала детали или инструмента;

- степень ответственности детали (низкая или высокая), которая определяет характер влияния последствий выхода из строя детали на обеспечение безопасности жизнедеятельности человека (использование дорогостоящих материалов, в этом случае, обосновано сохранением человеческой жизни);

- статистику отказов детали по данным базового предприятия, что обосновывает стремление к обеспечению одной долговечности всех деталей машины или механизма, иначе это приводит к удорожанию машины (поочередная замена деталей требует останова, разборки-сборки механизма).

Все это имеет непосредственное отношение к разработке ТУ и выбору марки материала.

Значения свойств материала детали или инструмента приводятся в подразделе “Технические условия на готовую продукцию” в виде таблиц.

3.4.2. Обоснование выбора материала

Любой технологический процесс может быть успешно реализован на производстве только при условии проведения оптимального выбора материала для изготовления конкретной детали или инструмента, поскольку выбор материала и способа его упрочнения является комплексной задачей. В методическом пособии «Выбор материала для деталей машин» под ред. Гринберга Е.М. проанализированы методики выбора материалов и приведены рекомендации по выбору марок стали при решении конкретных задач.

При выборе материала для проектируемого изделия следует рассматривать следующие основные критерии:

- возможность упрочнения данного сплава на заданный ТУ уровень механических и эксплуатационных свойств способами, апробированными на производстве и относительно легко реализуемыми в заводских условиях;

-сплав должен обладать хорошими технологическими свойствами не только при термической обработке, но и при формообразующих операциях на заготовке согласно маршрутной технологии;

-следует шире использовать экономно легированные и углеродистые стали вместо высоколегированных, содержащих в своем составе дорогие цветные и тугоплавкие легирующие элементы, создавая на поверхности деталей функциональные покрытия;

-улучшаемые стали при объемной закалке должны обеспечивать сквозную прокаливаемость детали.

При техническом анализе следует руководствоваться следующим алгоритмом выбора:

- определить группу сталей по назначению, в которой содержатся материалы со свойствами, соответствующими ТУ на готовую продукцию, например, улучшаемые, цементуемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, штамповые стали и т. д.;

- выбрать из этой группы в зависимости от надежности несколько марок, которые обеспечат после термообработки необходимые свойства;

- сравнить эти стали между собой по химическому составу и технологическим свойствам, например, более технологичными считаются стали, у которых ниже критическая точка А_с3 (меньше энергозатрат на нагрев);

- для сопоставления комплекса свойств материала, включая его стоимость, целесообразно использовать количественные критерии, приведенные в метод. пособии.

Для выбранного материала указать:

- химический состав согласно ГОСТу;

- механические свойства в состоянии поставки и в термообработанном состоянии;

- технологические свойства;

- описать роль каждого легирующего элемента, в формировании свойств стали;

- указать марку возможного заменителя.

Следует отметить, что замена базовой марки стали, используемой на предприятии при изготовлении конкретной детали или инструмента, не является обязательным условием при выполнении данного раздела ВКР. В этом случае необходимо обосновать целесообразность использования указанного в чертеже на деталь материала и подобрать ему подходящий заменитель.

Вся информация, содержащаяся в данном разделе, должна быть подтверждена соответствующими ссылками на ГОСТы и действующие ТУ или справочную литературу.

3.4.3. Входной контроль

При поступлении материала с завода - поставщика на завод - потребитель партии металла проходят входной контроль, целью которого является установление соответствия качества партии материала техническим условиям на договорные поставки. Поступивший в производство металл подвергается выборочному контролю по отдельным свойствам на его соответствие ГОСТам согласно схеме, установленной отделом главного металлурга предприятия - потребителя. При входном контроле проверяется качество материала заготовки, а не готовых деталей и только по тем свойствам, которые могут повлиять на обрабатываемость материала, привести к возникновению брака в результате формообразования или при термической обработке.

При этом проверяют:

1. Марочный состав - посредством химического анализа (экспресс-методом по основным элементам, определяющим марку стали);

2. Механические свойства – измерением твердости методом Бринелля;

3. Сортамент - измерением мерительным инструментом характерных размеров (диаметра или шестигранника);

4. Отсутствие металлургических дефектов (трещин,закатов) - визуальным осмотром.

5. Выполняется технологическая проба на горячую осадку, если заготовку получают горячей штамповкой.

Стали специального назначения контролируют по тем свойствам, которые, в конечном счете, определяют работоспособность изготовленных из них деталей:

- подшипниковые - на строение перлита и неметаллические включения;

- нержавеющие - на склонность металла к межкристаллитной коррозии;

- инструментальные - на строение перлита и карбидную неоднородность.

При выполнении ВКР студент должен разработать карту входного контроля металла для изготовления детали или инструмента, где необходимо указать:

- контролируемые свойства;

- методы контроля, согласно действующему ГОСТу или стандарту предприятия и кратко описать его сущность;

- норму контроля, то есть количество проб от партии поставляемого металла.

3.5. Технологическая часть

Целью данного раздела является обоснование выбора и разработка температурно-временных параметров технологического процесса для составления технологической карты на термическую или химико-термическую обработку

3.5.1. Маршрутная технология

Структура термических подразделений машиностроительных предприятий во многом определяется видами технологических операций формообразования. Чаще всего детали машин или механизмов изготавливают на металлорежущих станках, методами пластического деформирования и порошковой металлургии.

Маршрутная технология указывает порядок выполнения технологических операций и, прежде всего, место термической обработки в процессе изготовления детали из заготовки. Это важно знать при разработке технологии предварительной либо окончательной операций термической обработки. Если предварительная термическая обработка необходима для улучшения обрабатываемости заготовки резанием, то окончательная служит для формирования окончательной структуры и свойств детали или инструмента согласно ТУ на готовую продукцию. В маршрутной технологии следует указывать также транспортные операции, учитывая при этом, что заготовки в виде поковок или штамповок обычно обрабатывают в термических отделениях кузнечного цеха с целью исключения транспортных расходов.

В пояснительной записке ВКР необходимо привести схему маршрутной технологии, где следует установить последовательность каждого вида технологической операции, в том числе термической и место ее выполнения в маршруте изготовления детали с указанием температурно-временных режимов обработки.

Следующие за термической обработкой операции обеспечивают требования к состоянию поверхности детали, допуски на кривизну, эллипсность отверстий и другие показатели качества, которые можно достичь с помощью дополнительных операций, таких как химическая или механическая очистка поверхности, правка, рихтовка и др.

С маршрутной технологией изготовления данной детали или инструмента следует ознакомиться на базовом предприятии в период прохождения практики.

3.5.2. Обоснование выбора технологического процесса

Обеспечить необходимый уровень свойств детали можно различными технологическими способами. Например, упрочнение поверхности детали можно достичь методами химико-термической обработки (ХТО), поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ), газопламенного нагрева, нагрева в электролите и т. д. В данном разделе ВКР необходимо выбрать и обосновать технологический процесс, который обеспечит необходимый уровень свойств детали согласно ТУ на готовую продукцию при минимальных затратах на производство и минимальных выбросах вредных веществ в окружающую среду.

Такой выбор производится на основе системного анализа, для чего необходимо:

- рассмотреть все возможные способы термической и химико-термической обработки, которые могут обеспечить требуемый уровень свойств;

- исключить все те способы, которые нельзя применить технически для упрочнения данной детали или инструмента по технической возможности и типу производства;

- из оставшихся технологий необходимо исключить те, которые явно требуют больших затрат времени, трудоемки, а также экологически вредные производства.

Окончательный выбор следует остановить на способе упрочнения, который гарантированно обеспечит требуемые свойства детали. Так например, применительно к упрочнению шестерни с малым модулем зуба (м меньше 5 мм) поверхностная закалка при нагреве ТВЧ стали даже с пониженной прокаливаемостью (ПП) может привести к сквозной закалке зуба, что является недопустимым, исходя из условий его работы. В этом случае следует рекомендовать более продолжительный способ ХТО - цементацию или нитроцементацию с использованием стали из группы цементуемых.

При выборе технологического процесса необходимо выбирать наиболее рациональные способы теплового воздействия, позволяющие сократить количество операций, экономить энергоресурсы и технологические материалы. При этом необходимо руководствоваться следующими прогрессивными направлениями:

- использование остаточной теплоты предыдущей операции (ковки или штамповки) для последующей термообработки (отжига, нормализации), что сокращает кратность нагрева стали;

- преемственность или совмещение операций структурного изменения с использованием тепла предыдущих операций, например, закалка непосредственно с цементационного нагрева с подстуживанием, отпуск в заневоленном состоянии (совмещение отпуска и правки) и т.д.;

- применение скоростных методов нагрева ТВЧ при проведении поверхностной закалки взамен трудоемких процессов химико-термической обработки;

- использование сред нагрева и охлаждения, предотвращающих окисление и обезуглероживание, а именно: контролируемые атмосферы при нагреве, нагрев в кипящем слое и т.д.;

- применение мероприятий, уменьшающих деформацию на заключительных стадиях термообработки: охлаждение при закалке в горячей изотермической среде (нагретое масло, кипящий слой, расплавы солей), охлаждение нагретых деталей сложной конфигурации в заневоленном состоянии (закалка под прессом) и т.д.

3.5.3. Разработка режимов технологического процесса

Задачей данного раздела ВКР является установление конкретных значений температурно-временных параметров для выбранного технологического процесса.

Прежде всего, необходимо установить все основные, вспомогательные и дополнительные операции технологического процесса и порядок их выполнения. Затем разделить каждую операцию на технологические переходы и для каждого перехода назначить параметры. Предложенные значения температуры нагрева, скорости (времени) нагрева, времени выдержки, скорости охлаждения, состава охлаждающей среды и т. д. должны быть теоретически обоснованы с использованием специальной и справочной литературы.

Полученные расчетом или техническим анализом значения параметров процесса термической обработки заносятся в технологическую карту, которая приводится в приложении к пояснительной записке.

В конце раздела следует рассмотреть вопросы о возможных причинах брака и разработать меры по предупреждению его возникновения.

Если при разработке этого раздела требуется выполнение некоторых расчетов, например: времени нагрева деталей или инструмента, то они выполняются в разделе “Расчетная часть”.

3.5.4. Технический контроль и контроль качества

Технический контроль представляет собой контроль правильности выполнения операций технологического процесса, который непрерывно осуществляется на рабочих местах непосредственно рабочими и мастерами производства, периодически - технологическими службами цеха и отдела главного металлурга. Важность технического контроля состоит в том, что не соблюдение среды обработки или температурно-временных режимов влечет за собой снижение качества обрабатываемых деталей, что приводит к браку при термической обработке.

При разработке данного раздела необходимо составить инструкцию по техническому контролю технологического процесса. В инструкции по техническому контролю к техпроцессу для каждого технологического перехода необходимо указать:

- параметры контроля (температурный режим, продолжительность операции, среда обработки) и допустимые значения;

- методы и приборы контроля (приборы для измерения, регулирования и записи температуры; реле времени; газоанализаторы, вакууметры, ротаметры и др.).

- свойства детали после выполнения операции и допустимые пределы изменения этих свойств.

Контроль качества производится после завершения полного цикла термической обработки и осуществляется, как правило, неразрушающими методами непосредственно на деталях. Если таковые применить нельзя, то он проводится на образцах-свидетелях. Текущий контроль качества продукции сводится к определению твердости, структуры и обнаружению наружных и внутренних дефектов. Трещины, возникающие при термообработке, могут быть выявлены применением магнитных дефектоскопов, а кривизна и другие отклонения от геометрических размеров с помощью плит, центров и специальных измерительных приборов. Контроль качества по микроструктуре позволяет определить глубину упрочненного слоя. Контроль качества цементованного слоя следует проводить на отсутствие карбидной сетки и трооститных пятен в слое, а после нитроцементации на отсутствие «темной составляющей» и огрубление карбидной фазы.

В инструкции по контролю качества обработанных деталей необходимо указать:

- методы контроля качества (стандартизованные методы или технологические пробы);

- нормы контроля (в процентах от партии обработанных деталей при садочном методе или периодичность по времени при конвейерном методе обработки);

- место контроля на детали;

- способ подготовки детали для осуществления измерений;

- допустимые значения измеряемых характеристик.

3.6. Выбор и расчет потребности основного,

вспомогательного и дополнительного оборудования

Выбор конкретного типажа оборудования определяется его возможностью качественного выполнения операций технологического процесса при минимальной трудоемкости и энергетических затратах, степени механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных и транспортных операций, точности регулирования технологических параметров, степени надежности, а также типом производства.

В массовом и крупносерийном производстве рентабельно применять агрегатное оборудование непрерывного действия (например, цементационные или конвейерно-закалочные агрегаты). Оно обладает большой производительностью, высокой степенью механизации и автоматизации, стабильностью качества производимой продукции и низкими затратами ручного труда. Но оно, как правило, является узкоспециализированным и неустойчиво работает при частых переналадках.

В мелкосерийном и штучном производстве зарекомендовало себя садочное оборудование ввиду его универсальности и простоты переналадок (например, камерные или шахтные печи). Но оно требует больших затрат ручного труда, обслуживается механизмами общецехового назначения и характеризуется менее стабильным выпуском качества обрабатываемых деталей. Широкое распространение в термических цехах нашли соляные ванны. Однако утилизация отработанной соли загрязняет окружающую среду.

При выборе оборудования садочного типа следует учитывать форму и габариты детали или инструмента, а также конструкцию приспособления, позволяющего рационально размещать детали в рабочем пространстве, препятствуя прогибу деталей малой жесткости, и одновременно проводить термообработку группы деталей (садки). Например, термообработку длинномерных деталей (валов, осей) целесообразно проводить в печах шахтного типа, так как вертикальное положение деталей сохраняется при охлаждении их в закалочной среде, что удобно при использовании внутрицехового подъемно-транспортного механизма. Конкретную марку нагревательного устройства определяют по оптимальному коэффициенту загрузки оборудования.

В этом разделе ВКР необходимо выполнить расчет необходимого количества оборудования для выполнения годовой программы.

Прежде всего необходимо определить конкретную производительность печи, зная массу садки деталей и время их обработки по формуле:

Ж =м дел тау,

где ж производительность печи, кг в час; м-масса садки, кг; тау-время обработки, час.

Затем следует определить действительный годовой фонд времени работы оборудования Ф, который всегда меньше календарного. При использовании универсального оборудования периодического действия Ф д рассчитывают по формуле:

Ф=(365-вых.-празд.) Т м К_р , пече-часов,

где Т- количество часов работы оборудования в смену;

м- количество смен;

К_р - коэффициент потерь времени на ремонт, переналадку режимов и на разогрев печи (К_р = 0,90-0,94).

Далее необходимо установить «задолженность» печи А (пече-час.), т.е. необходимый фонд эффективного времени работы оборудования для обработки предусмотренного годовой программой количества продукции

А=М дел же,где

М- годовая масса обрабатываемых деталей, кг; же- производительность печи, кг в час.

Необходимое количество единиц оборудования (N) рассчитывают по формуле:

, Н=А дел Ф д

Так как при расчетах значение N может представлять собой любое дробное число, то действительное число единиц N_д оборудования получают округлением N до ближайшего большего целого числа.

Коэффициент использования оборудования К находят как отношение расчетного количества оборудования к действительному:

К = N / N_д. (6)

Коэффициент К отражает эффективность использования оборудования и должен находиться в пределах 0,75 - 0,85. Если К выходит за указанные пределы значений, то необходимо выбрать из той же серии печь (агрегат) меньшей или большей производительности и вновь произвести расчет.