Учебное пособие: Основы проектирования и конструирования

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Основы проектирования и конструирования

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ЛЕКЦИЯ 1

План лекции

1.1. Введение

1.2. Задачи конструирования

1.3. Общие сведения о машинах и механизмах

КОНСТРУИРОВАТЬ [лат. construere] – создавать конструкцию чего-л.

КОНСТРУКТЙВНЫЙ - 1) относящийся к конструкции; 2) такой, который можно положить в основу чего-л., плодотворный.

КОНСТРУКТОР - 1) лицо, занимающееся созданием конструкций различных устройств (машин, механизмов, сооружений и т.п.) или их отдельных частей; 2) детская игра, представляющая собой набор деталей, из которых можно собирать разные предметы, машины, сооружения.

КОНСТРУКЦИЯ [лат. constructio] - 1) строение, устройство, взаимное расположение частей какого-л. предмета, машины, прибора, сооружения и т.п., определяющееся его назначением; 2) сооружение или его часть, характеризующиеся каким-л. признаком, напр. железобетонные, деревянные, монолитные, сборные конструкции; 3) грам. сочетание слов, выступающее в качестве одной синтаксической единицы.

ПРОЕКТ [< лат. projectus брошенный вперед] - 1) технические документы - чертежи, расчеты, макеты вновь создаваемых зданий, сооружений, машин, приборов и т. д.; 2) предварительный текст какого-л. документа и т. п.; 3) план, замысел.

ПРОЕКТИРОВАТЬ¹ - 1) составлять проект 1; 2) предполагать сделать что-л., намечать план.

ПРОЕКТИРОВАТЬ² - 1) геом. отображать какую-л. фигуру или предмет на плоскость, чертить проекцию; 2) то же, что проецировать.

1.1. Введение

Решение задачи достижения наивысшего уровня науки, техники, экономики и производства будет способствовать увеличению производительности общественного труда и уменьшению удельного расхода энергии и сырья на единицу произведенной продукции. Основной задачей машиностроения является обеспечение быстрорастущего населения Земли разного рода изделиями, необходимыми для удовлетворения самых разных его потребностей (в жилище, питании, работе, досуге, средствах обороны, здравоохранении, воспитании и образовании и др.).

1.2. Задачи конструирования

Задача конструктора состоит в создании машин, полно отвечающих потребностям народного хозяйства, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, конкурентно-способными на внутреннем и внешнем рынках.

Главными показателями являются: высокая производительность, экономичность, прочность, надежность, малые масса и металлоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стоимость ремонтных работ, расходы на оплату труда операторов, высокий технический ресурс и степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.

В конструкции машин необходимо соблюдать требования технической эстетики. Машины должны иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку.

Значимость каждого из перечисленных факторов зависит от функционального назначения машины:

в машинах-генераторах и преобразователях энергии на первом плане стоит величина КПД, определяющего совершенство преобразования затрачиваемой энергии в полезную;

в машинах-орудиях - производительность, четкость и безотказность действия, степень автоматизации;

в металлорежущих станках - производительность, точность обработки, диапазон выполняемых операций;

в приборостроении - чувствительность, точность, стабильность показаний;

в транспортной технике, особенно в авиационной и ракетной, - малая масса конструкции, высокий КПД двигателя, обусловливающий малую массу бортового запаса топлива.

Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного увеличения ее рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Экономический эффект зависит от обширного комплекса технологических, организационно-производственных и эксплуатационных факторов. В данном курсе рассмотрены только те способы повышения экономичности, которые непосредственно связаны с конструированием и зависят от деятельности конструктора и используемых им средств конструирования.

1.3. Общие сведения о машинах и механизмах

Классификация машин. Современное производство немыслимо без всевозможных высокоэффективных машин.

Машина – это механическое устройство, предназначенное для выполнения требуемой полезной работы, связанной с процессом производства или транспортирования или же с процессом преобразования энергии, движения или информации.

Благодаря их использованию повышается производительность труда, облегчается физический и умственный труд человека и т.д.

По характеру рабочего процесса и назначению машины подразделяются на следующие группы (классы):

1.Энергетические машины, в которых какой-либо вид энергии (электрической, тепловой и т. п.) преобразуется в механическую работу и наоборот. К этой группе относятся как машины-двигатели (электродвигатели, тепловые и ядерные двигатели и т. п.), так и машины-преобразователи (компрессоры, электрические генераторы и др.).

2.Технологические или рабочие машины, предназначенные для выполнения производственных процессов по изменению формы, свойств и положения объектов труда (отраслевые машины, например металлорежущие и ткацкие станки, сельскохозяйственные машины, полиграфические, швейные, горнодобывающие и другие машины, роботы и т.п.).

3. Транспортные машины, предназначенные для перемещения объектов труда.

4.Информационные (контрольно-управляющие) машины, в которых происходит преобразование вводимой информации для контроля, регулирования и управления технологическими процессами (вычислительные, кибернетические машины и др.).

В зависимости от способа управления различают машины ручного управления (на встроенном рабочем месте или дистанционно), полуавтоматического и автоматического действия.

Машина, в которой преобразование энергии (материалов и информации) происходит без непосредственного участия человека, называется машиной - автоматом. Совокупность машин-автоматов, соединенных между собой автоматическими транспортными устройствами, управляемых единой системой управления и предназначенных для выполнения определенного технологического процесса, образует автоматическую линию.

Механизмы и их назначение. Механизм - часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнении определенных механических движений.

Являясь носителем этих движений, механизм представляет собой совокупность (систему) взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.

Механизм осуществляет: передачу энергии (движения), как правило, с преобразованием сил и характеристик закона движения от источника, например двигателя, к одному или нескольким рабочим органам машины; преобразование и регулирование механического движения; заданную компоновку машины.

Если в преобразовании движения участвуют как твердые, так и жидкие или газообразные тела, то механизм называется соответственно гидравлическим или пневматическим.

Деталь - изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марки материала без применения сборочных операция. К деталям можно отнести: валик из одного куска материала, литой корпус; пластину из биметаллического листа; печатную плату и т.д. Деталь может быть изготовлена с применением местных сварки, пайки, склеивании, сшивания и т.д. (трубка паянная или сваренная из одного куска листового материала, коробка склеенная из одного куска картона) и иметь защитное или декоративное покрытие.

Кинематическое звено – это деталь или несколько деталей связанных в работе между собой неподвижно или взаимно неподвижно. Выполнение звеньев не из одной, а из нескольких соединенных между собой деталей обеспечивает возможность:

изготовления деталей из разных материалов, например, вкладышей подшипников из бронзы или другого антифрикционного материала, а корпуса подшипника из чугуна;

удобной замены быстроизнашивающихся деталей;

сборки (например, установка коленчатого вала в коренные подшипники двигателя выполнима лишь при съемных крышках) и облегчения сборки машины;

облегчение изготовления деталей ввиду упрощения их формы и уменьшения размеров;

большей нормализации, стандартизации и централизованного изготовления деталей.

Кинематическая пара – это соединение двух звеньев обеспечивающее их относительную подвижность (рычаг – стойка, толкатель – направляющая, щуп - направляющая).

По характеру движения кинематические пары делятся на:

- вращательные;

-поступательные.

По характеру соприкосновения звеньев кинематические пары делятся:

- низшие;

-высшие.

Низшими кинематическими парами называют такие кинематические пары, в которых соприкосновение звеньев происходит по поверхности.

Высшими кинематическими парами называют пары, в которых соприкосновение звеньев происходит по линии или точке.

Изделием называется любой предмет производства (или набор предметов), подлежащих изготовлению на предприятии.

Изделия в зависимости от их назначения делят на изделия основного производства и вспомогательного.

К изделиям основного производства относятся изделия, предназначенные для поставки (реализации), к изделиям вспомогательного производства – изделия, предназначенные только для собственных нужд предприятия.

Установлены следующие виды изделий:

детали;

сборочные единицы;

комплексы;

комплекты.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой и т.д.), например, автомобиль, станок, редуктор, сварной корпус, маховичок из пластмассы с металлической арматурой и др.

Комплекс – два или более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии - изготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (автоматическая телефонная станция, бурильная установка; изделие, состоящее из метеорологической ракеты, пусковой установки и средств управления; корабль и т.п.).

Комплект – два или более изделия, не соединенных на предприятии- изготовителе сборочными операциями и представляющих собой набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запасных частей, комплект инструмента и принадлежностей, комплект измерительной аппаратуры, комплект упаковочной тары и т.д.).

ЛЕКЦИЯ 2

План лекции

2.1. Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам

2.1. Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам

Основными характеристиками машин являются: назначение и область применения, способ управления, мощность и производительность, коэффициент полезного действия, масса, габаритные размеры, стоимость и др.

Производительность машин измеряют в единицах, которые наиболее пригодны для данного оборудования. Например, производительность ткацких станков характеризуют количеством метров сотканной ткани, транспортера - массой транспортируемого груза в единицу времени и т.п.

Коэффициент полезного действия является характеристикой экономичности машин. Он показывает долю полезно реализуемой энергии и эффективность ее использования.

Массу и габаритные размеры необходимо знать для транспортирования машин и размещения их на производственных площадях.

Основные характеристики машин указывают в их техническом паспорте.

К машинам и механизмам предъявляют следующие основные требования: работоспособности; надежности; технологичности; экономичности; эргономичности.

Работоспособность. Работоспособностью называют состояние машин и механизмов, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией (техническими условиями, стандартами и т. п.).

Надежность. Надежностью изделия называют свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам в условиях использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Надежность является общей проблемой для всех отраслей машиностроения, приборостроения и других отраслей. Любая современная машина или прибор, какими бы высокими характеристиками они ни обладали, будут обесценены при ненадежной работе.

Надежность изделия зависит от необходимой нара6отки, которая может исчисляться в часах работы станка, налета самолета и т. д., в километрах пробега автомобиля, гектарах обработанной земли для сельскохозяйственной машины и т. д. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Ошибки проектирования, погрешности в производстве, упаковке, транспортировке и эксплуатации изделия сказываются на его надежности.

Надежность изделий обуславливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказы которых связаны с опасностью для жизни людей (например, самолеты) или с перерывом в работе большого комплекса машин.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и технического обслуживания.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения и транспортирования.

Надежность деталей машин сильно зависит от того, насколько близок режим работы деталей по напряжениям, скоростям и температурам к предельным, т.е. от запасов по основным критериям работоспособности.

Надежность в значительной степени определяется качеством изготовления, которое может изменять ресурс в несколько раз.

Надежность статически определимых механизмов при одинаковых номинальных напряжениях выше, чем статически неопределимых, что связано с меньшим влиянием технологических погрешностей, а также температурных и силовых деформаций. Например, самоустанавливающиеся конструкции, как правило, более надежным, чем несамоустанавливающиеся.

Утрата работоспособности изделий (полная или частичная) называется отказом. Отказы по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение каналов, ослабление соединений). Отказы бывают полные и частичные; внезапные (например, поломки) и постепенные (изнашивание, коррозия и др.); опасные для жизни человека, тяжелые и легкие; устранимые и неустранимые. По времени возникновения отказы делятся на приработочные (возникающие в первый период эксплуатации и связанные с отсутствием приработки и с попаданием в сборку дефектных элементов); отказы при нормальной эксплуатации (до проявления износовых отказов) и износовые отказы, к которым в теории надежности относят также отказы по усталости и старению.

Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы в течение заданного времени или заданной наработки. Экспериментально этот показатель может быть оценен как отношение числа образцов, сохранивших работоспособность, к общему числу испытанных образцов, если последнее достаточно велико.

В связи с тем, что отказ и безотказная работа взаимно противоположные события,

P(t)+Q(t)=1,

где Q(t)=- вероятность отказа за время t; f(t)- плотность вероятности отказов.

Основные показатели долговечности деталей: а) средний ресурс, т.е. средняя наработка до предельного состояния, и б) ресурс, который обеспечивается у заданного числа () процентов (например, 90%) изделий, так называемый гамма – процентный ресурс.

Вероятность безотказной работы системы равна по теореме умножения вероятностей безотказной работы элементов

P(t)=P(t)P(t)…P(t).

Если

P(t)= P(t)=…= P(t), то P(t)=Р(t).

Поэтому надежность сложных систем получается низкой, например, при числе элементов n = 10 с одинаковой вероятностью безотказной работы 0,9 общая вероятность 0,9=0,35.

В период нормальной эксплуатации машин износовые отказы еще не проявляются и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы называются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшествующей эксплуатации изделия.

Технологичность. Под технологичностью понимают совокупность признаков, обеспечивающих наиболее экономичное, быстрое производительное изготовление машин применением прогрессивных методов обработки при одновременном повышении качества, точности и взаимозаменяемости частей. В понятие технологичности следует ввести также признаки, обеспечивающие наиболее производительную сборку изделия (технологичность сборки) и наиболее удобный и экономичный ремонт (технологичность ремонта).

Технологичность зависит от масштаба и типа производства. Единичное и мелкосерийное производство предъявляют к технологичности одни требования, крупносерийное и массовое - другие. Признаки технологичности специфичны для деталей различных групп изготовления.

На рисунке 2.1 показаны два примера конструктивного выполнения узлов редуктора, когда конструктор выбирает один из вариантов оценивая, в том числе, и технологичность конструкции.

В массовом производстве штампованные «крышка» и «шкив» будут при всех других равных условиях, более предпочтительны, т.к. себестоимость изготовления единицы продукции будет меньше, чем при получении деталей литьем с последующей механической обработкой. При единичном и серийном производствах оборудование и технологическая оснастка для штамповки не окупится.

Экономичность. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Экономичность машин достигается за счет снижения материалоемкости, энергоемкости и трудоёмкости производства, за счет максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализацией производства и т. д.

Эргономичность. Совершенство и красота внешних форм машины и удобство обслуживания существенно влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала и потребителей.

Красивый внешний вид деталям, узлам и машине придают форма и внешняя отделка конструкции (декоративная полировка, окраска, нанесение гальванических покрытии и оксидных пленок и т. д.). Существенное значение имеет и влияние машин на окружающую среду.

Выполнение указанных требований обеспечивается в результате создания и совершенствования машин в процессе эксплуатации, в котором участвуют не только инженеры-конструкторы, но и инженеры-технологи, инженеры по эксплуатации и ремонту, инженеры-экономисты и другие специалисты, а также техники и рабочие, занятые в технологических процессах.

Вот почему для понимания принципа действия используемых на производстве машин, и в особенности для их совершенствования (например, с целью форсирования режимов работы, переналадки и т. п.), необходимо иметь представление о построении машин, распространенных в технике механизмах, методах их анализа и оценки надежности.

ЛЕКЦИЯ 3

План лекции

3.1. Служебное назначение технологического оборудования

3.2. Содержание технических условий на оборудование

3.1. Служебное назначение технологического оборудования

Особую значимость в формировании качества проектируемого оборудования имеет точность формулирования его служебного назначения.

Под служебным назначением оборудования понимается максимально уточненная и четко сформулированная технологическая задача, для решения которой оно предназначается.

Служебное назначение технологического оборудования должно отражать, в первую очередь, производственную необходимость для удовлетворения которой оно создается.

Оно должно учитывать уровень и состояние научно-технических разработок в данной конкретной области.

Ошибку на любом этапе жизненного цикла оборудования можно исправить, ошибку в формулировании служебного назначения исправить нельзя. Качество создаваемого оборудования зависит, прежде всего, от качества описания служебного назначения.

Общая формулировка служебного назначения должна выражать общую технологическую задачу, для решения которой создается оборудования, например: "токарный станок предназначен для обработки деталей типа тел вращения резанием". Но общая формулировка не раскрывает конкретного назначения оборудования и ее специфических особенностей. Формулировка служебного назначения должна выражать не только общую задачу, для решения которой создается оборудование, но и все дополнительные условия и требования, которые эту задачу максимально уточняют и конкретизируют.

Поэтому, формулируя служебное назначение токарного станка, необходимо уточнить размеры валов, для обработки которых станок предназначается.

Другое уточнение служебного назначения токарного станка может быть связано с его производительностью. Если станок предназначен для изготовления изделий широкой номенклатуры, выпускаемых в небольших количествах, то его конструкция должна быть универсальной; если для массового выпуска одинаковых изделий – то специальной.

Следующее уточнение служебного назначения может быть связано с требованиями к точности деталей, которые должны будут обрабатываться на станке, – точности размеров, относительного поворота, формы и чисто ты поверхностей.

К числу параметров, уточняющих служебное назначение токарного станка, необходимо отнести режимы обработки деталей, тип заготовок, их материал, условия, в которых предстоит работать станку: возможные колебания температуры окружающей среды, влажность и запыленность воздуха и т. д.

Любое оборудование создается для выполнения определенного технологического (рабочего) процесса. Поэтому определение служебного назначения оборудования надо начинать с изучения и описания, т.е. анализа этого процесса.

Под технологическим процессом, реализуемым оборудование или с его помощью, понимают совокупность последовательных действий, направленных на достижение определенного результата. Такой процесс практически всегда развивается в непрерывно изменяющихся условиях. Во времени не остаются постоянными качество исходного продукта и количество сообщаемой энергии, колеблются внешние параметры и состояние оборудования.

Качественное изучение технологического процесса включает четыре основных аспекта:

вид исходного продукта и существо нестабильности его качества;

вид энергии и ее количественные параметры;

факторы, изменяющие внешнюю среду, в которой предстоит работать оборудованию;

сущность изменений состояния оборудования.

Основной источник исходных данных для проектирования оборудования – как правило, описание технологического процесса. Это может быть аналогичный процесс какому-то уже существующему, если необходимо создать оборудование, имеющее аналог. Это может быть новый процесс, проектирование которого обычно предшествует проектированию оборудования.

Выполнение любого технологического процесса сопровождается всевозможными случайными отклонениями его параметров от установленных. Это характерно для следующих факторов:

качества исходного продукта (предметов производства);

вида и пределов изменения количества подводимой энергии;

изменений внешних условий (температуры, влажности, запыленности воздуха и т. д.).

При проектировании оборудования нет смысла устанавливать в каждом конкретном случае конкретную причину того или иного отклонения. Все случайности, нестабильности технологического процесса называют его стохастической неопределенностью.

В большинстве практических задач стохастическую неопределенность технологического процесса можно описать с помощью случайных величин, или случайных функций.

Причем в одних случаях достаточно использовать только математические ожидания (средние значения) случайных величин. В других случаях необходимо использовать характеристики случайного разброса (например, дисперсию или коэффициент вариации). В третьих случаях необходимо оперировать законом распределения вероятностей, который является исчерпывающей характеристикой случайной величины.

Для того чтобы оборудование нормально выполняло свои функции в соответствии со своим служебным назначением, необходимо установить границы варьирования случайностей, сопровождающих выполнение процесса.

Для установления допусков на параметры, подверженные случайному разбросу, целесообразно оперировать категорией риска.

Под риском понимают возможность наступления неблагоприятного исхода (события).

Существуют измерители риска. Один из них – вероятностная мера риска, равная вероятности наступления неблагоприятного исхода. Другой измеритель риска – экономическая мера риска, являющаяся функцией от вероятности наступления неблагоприятного исхода и размера экономического ущерба, вызванного неблагоприятным исходом.

Вероятностная мера риска раскрывает сущность взаимосвязи между объемом дополнительных ресурсов, привлекаемых для осуществления какого либо процесса, и опасностью наступления неблагоприятного события. То есть хочешь снизить риск, привлекай дополнительные ресурсы. Если же экономишь, то рискуй.

Риск может быть обусловлен не только стохастической неопределенностью, но также эпистемологической и лингвистической неопределенностями.

Эпистемологическая неопределенность обусловлена субъективностью оценок, суждений и поведения разработчиков проектных решений. Например, установление запаса прочности конструкции в условиях отсутствия методик расчета.

Лингвистическая неопределенность обусловлена, как правило, ограниченностью искусственного языка, используемого для описания реальных объектов и процессов. Например, двумерные проекции не полностью раскрывают объемные представления о конструкции детали. Ограниченность руководства по эксплуатации может вызвать опасность выхода из строя оборудования из-за неправильной его эксплуатации.

Формулировка служебного назначения оборудования должна, прежде всего, содержать исчерпывающие данные о продукции, которую на нем надлежит производить: вид, размеры, качество, количество.

Другую группу данных могут составить показатели производительности. Они определяются при разработке технологии изготовления продукции и соответствующих технико-экономических расчетах. Сюда же можно отнести требования долговечности и надежности машины.

В формулировку служебного назначения оборудования следует включать и условия, в которых ему предстоит работать и производить продукцию требуемого качества в необходимых количествах. Условия работы берутся из описания технологического процесса. В них входят показатели (с допустимыми отклонениями), характеризующие качество исходного продукта, подаваемой энергии, режимы работы оборудования и состояние окружающей среды и др..

Формулировка служебного назначения оборудования может содержать ряд дополнительных сведений, таких, как требования к внешнему виду, безопасности работы, удобству и простоте обслуживания и управления, уровню шума, коэффициенту полезного действия, степени механизации и автоматизации и т. п.

Чем глубже и правильнее определены задачи, которые должны быть решены с помощью проектируемого оборудования, чем четче будут установлены требования к нему, тем вероятнее и полнее успех применения этого оборудования в производстве.

3.2. Содержание технических условий на оборудование

Важнейший документ, отражающий служебное назначение изделия– это технические условия (ТУ). Технические условия – неотъемлемая часть технической документации на оборудование. Они должны содержать все требования к оборудованию, к его изготовлению, контролю, приемке, поставке, а также те, которые нецелесообразно указывать в конструкторской или другой технической документации.

ТУ является системным документом, так как любые ТУ, т.е. ТУ на любое изделие, должны содержать следующие разделы (кроме, разумеется, вводной части):

технические требования;

правила приемки;

методы контроля (испытаний, анализа, измерений);

транспортирование и хранение;

указания по эксплуатации (применению);

гарантии поставщика.

ТУ тесно увязаны со служебным назначением изделий. Существует ГОСТ на ТУ. Это нормативный документ, обобщающий, унифицирующий и узаконивающий всю практику их разработки на самые разные изделия.

Во вводной части ТУ указывают характеристику объекта, в котором используют данную продукцию, общую характеристику или условное обозначение области применения и условий эксплуатации продукции (на открытом воздухе, в условиях влажного тропического климата, в среде осушенного трансформаторного масла и т. п.).

В разделе "Технические требования" указывают требования, "определяющие показатели качества и эксплуатационные характеристики изделия". Показатели и свойства продукции (изделий) обязательно приводятся применительно к условиям и режимам эксплуатации, а также к условиям и режимам испытаний.

Некоторые требования невозможно установить заранее, так как соответствующие показатели не могут быть выражены непосредственно, а лишь установлены при условии однозначного соблюдения каких-либо других требований (к организации производства, гигиенические требования к производственным помещениям и исполнителям, использование определенных элементов технологического процесса, материалов, покрытий, специального технологического оборудования или оснастки, длительная тренировка, обкатка, приработка, выдержка готовых изделий или материалов, рецептура и т. д.). В этом случае все эти требования должны быть также приведены в разделе "Технические требования".

В зависимости от характера и служебного назначения изделия в соответствующих ТУ должны быть предусмотрены требования к качеству, которым изделие должно соответствовать.

Термин "качество" неоднозначен. Чаще всего под качеством понимают степень соответствия заданным требованиям. Кроме того, качество это еще и совокупность разнообразных свойств, непосредственно вытекающих из специфики конкретного изделия, и им реализуемых, в нем "объединяемых". Первое качество реализуется через второе. Но это разные понятия, их не следует смешивать. В ТУ требования к "качеству" устанавливаются именно во втором смысле.

Требования к качеству устанавливаются в зависимости от служебного назначения. Они должны и могут учитывать следующие факторы:

физико-химические, механические и другие свойства, такие, как прочность, твердость, структура, шероховатость поверхности, химический состав, предельное содержание примесей, теплостойкость, термостойкость, износоустойчивость, чувствительность, точность и т. п.;

эксплуатационные показатели: производительность, скорость, коэффициент полезного действия, расход электроэнергии, топлива и масла и т. д.;

группа свойств "надежности", т.е. собственно надежность, а также долговечность, безотказность, сохраняемость и т. д.

требования к конструкции, эргономические, художественно-эстетические, органолептические, биологические, санитарно-гигиенические и другие показатели этого рода (скажем, безопасность в эксплуатации, уровень шума, помехозащищенность, усилия, требуемые для управления и обслуживания, запасы регулировки органов управления, время готовности после включения, запах, вкус, токсичность, маркировочные, защитные и другие виды покрытий и т. п.);

стабильность параметров при воздействии факторов внешней среды (климатических, механических, циклических изменений температуры, агрессивных сред и др.;

устойчивость к моющим средствам, средствам дезинфекции, средствам и условиям стерилизации, топливу, маслам; радиационная стойкость и т. д.);

особые требования, такие, как к условиям и мерам предосторожности при транспортировании, хранении, употреблении, к огне- и взрывоопасное, к срокам периодического осмотра, контроля, переконсервации и т.п.

ЛЕКЦИЯ 4

План лекции:

4.1. Организация процесса проектирования-конструирования и освоения технологического оборудования

4.2. Стадии и этапы разработки конструкторской документации

4.1. Организация процесса проектирования-конструирования и освоения технологического оборудования

Освоению нового технологического оборудования как правило предшествует большая предварительная работа, включающая научные исследования, научное прогнозирование, патентный поиск, технико-экономические исследования, оценку технологических возможностей предприятия, учет конъюнктуры рынка как внутри страны, так и за рубежом и др.

К новой технике относятся впервые реализуемые в народном хозяйстве результаты научных исследований и прикладных разработок, содержащие изобретения и научно-технические достижения, а также новые, более совершенные технологические процессы, орудия и предметы труда (новые модели станков, средств транспортировки-загрузки и др.), обеспечивающие повышение технико-экономических показателей производства.

Опытно-конструкторская работа (ОКР) представляет собой, как правило, сложный процесс разработки одного или нескольких исполнений изделия, сочетающий собственно конструкторские разработки с большим объемом расчетно-экспериментальных исследований, изготовлением опытных образцов оборудования и их всесторонней экспериментальной проверкой и отработкой в процессе освоения промышленного производства.

Содержание ОКР обусловлено видом и назначением проектируемого оборудования, сложностью и новизной его конструкции, способами изготовления и использования его в условиях эксплуатации.

Основные фазы ОКР. Обычно выделяют три четко выраженные фазы ОКР:

1-я фаза - формулирование цели (разработка технического задания) - процесс осмысления конструкции на основе сопоставления и анализа данных производственного опыта и результатов научно-исследовательских работ с потребностями потребителей и формирования предварительных (возможных и желательных) очертаний объекта разработки, его существенных признаков, т.е. качественных особенностей, и количественного выражения этих признаков с учетом данных инженерного прогнозирования и параметрической оптимизации;

2-я фаза - информационное моделирование изделия (разработка проектной конструкторской документации: технического предложения, эскизного и технического проектов) - процесс последовательного углубления идеализированных знаний об объекте разработки, осуществляемый исходя из данных технического задания и практического опыта путем выполнения следующих работ:

а) многократного (многовариантного) моделирования (прорисовки) объекта посредством отображения его в документации, последующего сопоставления и анализа различных конструкций, построенных на различных сочетаниях составляющих конструктивных элементов, и выделения наиболее желательного (оптимального) варианта т.е. разработки технического предложения;

б) проработки и изучения основных составляющих элементов оптимального варианта конструкции и принципов их взаимодействия посредством отображения конструкции проектируемого оборудования в конструкторской документации, т.е. разработки эскизного проекта;

в) всесторонней проработки и изучения конструкции, всех ее элементов и их взаимосвязей посредством отображения их в документации, позволяющего получить полное представление об устройстве и принципе работы объекта, т.е. разработки технического проекта;

3-я фаза - материальное воплощение конструкторского замысла (разработка рабочей конструкторской документации опытного образца или партии) - процесс эмпирического познания объекта, осуществляемый путем изготовления и экспериментального исследования натурных образцов оборудования в период освоения его производства, сопоставления опытных данных с техническим заданием и документацией на него и внесения необходимых уточнений в эту документацию.

Важнейшая задача ОКР - обеспечение и поддержание качества проектируемого объекта на современном технико-экономическом уровне и максимально возможное сокращение сроков изготовления и освоения нового оборудования.

В результате проведения предпроектных исследований (поисковых, патентных и др.), инженерного прогнозирования и параметрической оптимизации объектов производства выявляются базовые показатели качества оборудования, которые служат ориентирами на всех этапах ОКР.

Использование в конструкторской практике эффективной системы управления качеством проектируемых изделий способствует повышению эффективности разработок, качества и конкурентоспособности изделий.

4.2. Стадии и этапы разработки конструкторской документации

Конструирование машин - творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят в многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т. п.

Детали, узлы, машины изготовляют по чертежам, выполненным на основе проектов - совокупности расчетов, графических материалов и пояснений к ним, предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции (кинематических, динамических, геометрических и др.), ее производительности, экономической эффективности. Для особо ответственных конструкций проект дополняют макетом или действующей моделью.

Согласно ГОСТ 2.102 к конструкторским документам относятся графические и текстовые документы, которые в отдельности или в совокупности определяют состав и устройство изделия, содержат необходимые данные его разработки или изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта.

В зависимости от стадии разработки конструкторские документы подразделяются на проектные (техническое предложение, эскизный проект и технический проект) и рабочие (рабочая документация).

Номенклатуру конструкторских документов, разрабатываемых на изделие, определяют в совокупности два фактора:

- вид изделия по ГОСТ 2.101-68 (деталь, сборочная единица, комплекс, комплект);

- стадия разработки конструкторской документации (технического предложения, эскизного проекта, технического проекта, рабочей документации

Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены стандартом. Он обобщает опыт, накопленный в передовых странах по проектированию машин, приборов и аппаратов.

Первая стадия – разработка технического задания - документа, содержащего наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели и специальные требования заказчика к изделию.

Техническое задание разрабатывают на основе требований заказчика с учетом достижений и технического уровня отечественных и зарубежных конструкций, патентного поиска, а также результатов научно-исследовательских работ и научного прогноза.

Вторая стадия. Разработка технического предложения предполагает создание конструкторских документов, которые содержат технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки нового оборудования на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов конструкции, сравнительной оценки проектных решений с учетом конструкторских и эксплуатационных особенностей проектируемого и существующего оборудования, а также патентных материалов.

Техническое предложение разрабатывается с целью выявления дополнительных или уточненных требований к изделию, его технических характеристик, показателей качества, которые не могли быть указаны в техническом задании, если это целесообразно сделать на основе предварительной проработки и анализа различных вариантов конструкции изделия.

Наиболее характерные виды работ, выполняемых при разработке технического предложения:

 выявление и проработка возможных проектных решений, определение особенностей этих вариантов по составу, структуре, принципу действия и т.п.;

 проверка вариантов на патентную чистоту и конкурентоспособность с последующим оформлением при необходимости заявок на изобретения;

 проверка соответствия вариантов требованиям техники безопасности и производственной санитарии;

сравнительная оценка вариантов технических решений по всей совокупности выявленных свойств и показателей, конструктивным и эксплуатационным особенностям проектируемого и существующего оборудования;

 выбор оптимального варианта конструкции и установление требований к последующей стадии разработки.

Особое внимание уделяется изучению тенденций и перспектив развития отечественной и зарубежной техники в соответствующей области.

В техническое предложение включают конструкторские документы в соответствии с ГОСТ 2.102.

В общем случае в него может входить чертеж общего вида, габаритный чертеж, схемы, таблицы, расчеты, патентный формуляр, ведомость технического предложения. В состав технического предложения целесообразно включать данные обзора и анализа аналогичных конструкций, имеющихся в отечественной и зарубежной практике, данные сравнения характеристик разрабатываемого изделия с характеристиками аналогов, общий вид изделия в оптимальном варианте и описание его устройства, компоновки и принципа действия.

Техническое предложение после его рассмотрения и согласования служит основанием для выполнения эскизного или технического проекта.

Третья стадия. Разработка эскизного проекта заключается в разработке комплекта документов, содержащих принципиальные решения и дающие более полное по сравнению с предыдущей стадией общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также технические данные, определяемые его назначением, основные параметры и размеры.

Эскизный проект разрабатывается с целью установления принципиальных технических решений, дающих общее представление об устройстве и принципе работы проектируемого оборудования, если такая разработка признается целесообразной до разработки технического проекта или рабочей конструкторской документации.

В эскизный проект включаются конструкторские документы по ГОСТ 2.102, к которым в общем случае, в зависимости от специфики проектируемого оборудования, его новизны и сложности, могут быть отнесены чертеж общего вида, теоретический разработки, габаритный чертеж, монтажный чертеж, схемы, ведомости покупных изделий и согласования их применения, программа и методика испытаний, таблицы, расчеты, патентный формуляр, ведомость эскизного проекта и пояснительная записка к нему.

В пояснительной записке к эскизному проекту приводят результаты конструкторской проработки, в том числе описание конструкции изделия, принципа его действия, технико-экономические показатели, а также предложения по дальнейшим конструкторским и экспериментальным работам.

Эскизные проект после его рассмотрения и согласования служит основанием для разработки технического проекта или рабочей документации.

Четвертая стадия. Разработка технического проекта включает работы по разработке комплекта конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения и дающие полное представление об устройстве и принципе работы изделия, а также исходные данные для разработки рабочей конструкторской документации.

Технический проект разрабатывают с целью подготовки необходимых для последующих работ технических данных как по изделию в целом, так и по его составным частям и основным материалам.

При разработке технического проекта в общем случае выполняются следующие основные работы:

разработка конструкции изделия и его составных частей, принципиальных схем, схем соединений и других схемных документов;

 выполнение технико-экономических расчетов, подтверждающих соответствие предполагаемых решений техническому заданию и условиям производства изделия;

 оценка эксплуатационных данных изделия (транспортабельности, взаимозаменяемости, удобства обслуживания, ремонтопригодности, контролепригодности и т.п.), а также его эстетичности и экономичности, соответствия принимаемых решений требованиям безопасности и производственной санитарии, промышленной аэрологии и охраны окружающей среды;

 проведение экспериментальных работ (с разработкой, при необходимости, макетов и стендовых установок) для контроля показателей исходных материалов и составных (комплектующих) частей изделия;

 окончательное оформление заявок на разработку и изготовление комплектующих изделий и материалов, применяемых в проектируемом изделии;

 разработка рабочей конструкторской документации на составные части (сборочные единицы и детали), если это вызывается необходимостью ускорения выдачи задания на разработку специализированного оборудования для их изготовления;

 определение работ, которые следует провести при разработке рабочей конструкторской документации в дополнение к работам, предусмотренным техническим заданием и выполненной ранее проектной документацией.

Состав конструкторских документов, входящих в технический проект, определяется с учетом сложности и новизны проектируемого оборудования в соответствии с ГОСТ 2.102. В общем случае в комплект конструкторских документов технического проекта могут войти чертеж общего вида изделия и чертежи отдельных его (наиболее ответственных, принципиальных и др.) деталей, теоретический и габаритный чертежи изделия, схемы, таблицы и расчеты, ведомости покупных изделий и согласования их применения, технические условия, патентный формуляр, ведомость технического проекта и пояснительная записка к нему.

В пояснительной записке к техническому проекту, наряду с подробным описанием конструкции и принципа действия изделия, приводят:

 обоснование применяемых материалов;

 требования к точности изготовления и сборки изделия;

 описание всех систем, входящих в состав изделия;

 окончательные технико-экономические расчеты.

Технический проект после его согласования и утверждения служит основанием для разработки рабочей конструкторской документации.

Пятая стадия. Разработка рабочей конструкторской документации выполняется с целью формирования комплекта конструкторских документов, необходимых для технологической подготовки производства и организации процессов изготовления изделия в заданных объемах.

Основной целью ОКР на стадии разработки конструкторской документации для установившегося серийного или массового производства является поэтапное доведение конструкции изделия по результатам его изготовления, опытной проверки и технологической подготовки производства до соответствия требованиям технического задания и условиям установившегося выпуска изделий со стабильными показателями качества.

Комплект рабочих конструкторских документов, выполняемых на изделие, формируется по ГОСТ 2.102 в зависимости от его вида и стадии разработки. В него в общем случае входят следующие документы:

основные конструкторские документы (чертеж детали - для деталей; спецификация - для сборочных единиц, комплектов и комплексов), являющиеся для указанных видов изделий обязательными;

другие конструкторские документы, в том числе сборочный чертеж (для сборочных единиц обязателен), теоретический, габаритный и монтажный чертежи, схемы, таблицы, расчеты, ведомости (спецификаций, ссылочных документов, покупных изделий и согласования их применения, держателей подлинников), программа и методика испытаний, технические условия, патентный формуляр.

Широкое использование ЭВМ на всех стадиях проектирования необходимо, чтобы избавить конструктора от выполнения трудоемких расчетов, многофакторного анализа и большого объема графических работ.

ЛЕКЦИЯ 5

План лекции

5.1. Типы, виды и комплектность конструкторских документов на проектируемое оборудование

5.2. Обозначение изделии и конструкторских документов. Классификатор ЕСКД

5.3. Система обозначения конструкторских документов

5.1 Типы, виды и комплектность конструкторских документов на проектируемое оборудование

Описание конструкции проектируемого оборудования содержится в конструкторских документах.

Конструкторский документ (КД) в зависимости от его назначения отдельно или в совокупности с другими документами определяет состав и устройство изделия и содержит необходимые данные для разработки, изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации и ремонта изделия.

Виды конструкторских документов и характер содержащейся в них информации определяются видом изделия и стадиями разработки конструкторской документации.

В зависимости от содержания конструкторские документы подразделяются на два типа:

графические КД - документы, содержащие графическое изображение изделия и (или) его составных частей, устройства и принципа работы, внутренних и внешних связей его функциональных частей;

текстовые КД - документы, содержащие в основном текст — сплошной или разбитый на графы. Текстовые КД могут в виде иллюстраций содержать графический материал.

В зависимости от того, о скольких изделиях приведены сведения в конструкторском документе, они делятся на следующие:

единичный КД - документ, содержащий сведения об одном изделии;

групповой КД - документ, содержащий сведения об исполнениях нескольких изделий.

В зависимости от стадий разработки конструкторские документы подразделяются на проектные и рабочие.

Проектные документы разрабатываются при конструкторской проработке вариантов изделия с целью определения оптимального варианта технического решения и не предназначены для производства продукции.

Рабочие конструкторские документы предназначены для изготовления контроля, приемки, поставки изделия и использования его по прямому назначению в условиях эксплуатации и восстановления свойств при ремонте. В связи с этим рабочие конструкторские документы делятся на производственные, эксплуатационные и ремонтные.

В зависимости от способа выполнения и характера использования КД бывают следующие:

оригиналы - документы, выполненные на любом материале, предназначенные для изготовления по ним подлинников КД;

подлинники - документы, выполненные на любом материале, пригодном для многократного снятия с них копий, и оформленные подлинными установленными подписями. Если в качестве подлинника используется репрографическая копия, то подлинные подписи должны быть помещены на ней;

дубликаты - документы идентичные с подлинником, выполненные на любом материале, пригодном для многократного снятия с них копий, и заверенные подписью лица, ответственного за выпуск документов;

копии - документы идентичные с подлинником или дубликатом, предназначенные для использования при разработке, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия.

Номенклатура видов конструкторских документов, разрабатываемых на изделие в зависимости от стадии разработки и видов изделий, и их коды приведены в ГОСТ 2.102-68, ГОСТ 2.601-68, ГОСТ 2.602-68 и ГОСТ 2.701-84.

При определении комплектности конструкторских документов на изделие следует различать:

основной конструкторский документ;

основной комплект конструкторских документов;

полный комплект конструкторских документов.

Основной конструкторский документ в отдельности или в совокупности с другими записанными в нем конструкторскими документами полностью и однозначно определяет данное изделие и его состав. Основными конструкторскими документами являются:

чертеж детали - для деталей,

спецификация - для специфицированных изделий (комплексов, сборочных единиц, комплектов).

Изделие, примененное по конструкторским документам, записывается в документы других изделий, составной частью которых оно является, за обозначением своего основного конструкторского документа. Считается, что такое изделие применено по своему основному конструкторскому документу.

Обязательными для организации производства рабочими конструкторскими документами являются:

чертеж детали - для деталей;

спецификация - для комплексов и комплектов;

спецификация и сборочный чертеж - для сборочных единиц.

Основной комплект конструкторских документов изделия объединяет конструкторские документы, относящиеся ко всему изделию в целом. Таким образом, в основной комплект конструкторских документов могут входить не только оригинальные документы, т.е. впервые разработанные на данное изделие, но также заимствованные и групповые документы, распространяющиеся на данное изделие. Конструкторские документы составных частей в основной комплект конструкторских документов изделия не входят.

Сведения о документах основного комплекта приводятся:

для специфицированных изделий - в спецификации изделия в разделе "Документация",

для деталей - в технических требованиях чертежа детали и в разделе "Документация" спецификации изделия, составными частями которого они являются.

Полный комплект конструкторских документов изделия в общем случае составляется из документов основного комплекта КД на данное изделие и основных комплектов КД на все составные части данного изделия, примененные по своим основным КД, сведения о которых приведены в разделах "Сборочные единицы" и "Детали" спецификации данного изделия.

5.2. Обозначение изделии и конструкторских документов. Классификатор ЕСКД

Обозначения изделий конструкторских документов играют чрезвычайно важную роль при оперативной обработка технико-экономической информации. Он составляют неотъемлемую часть языка описания производственного процесса. Особенно актуальна задача корректного обозначения конструкторских документов в условиях широкого использования электронно-вычислительной техники. Для эффективного использования электронно-вычислительной техники необходим единый формализованный информационно-поисковый язык, создаваемый на основе использования Единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации (ЕСКК).

Одним из элементов ЕСКК является система обозначения изделий и конструкторских документов машино- и приборостроения. Однако в действовавшем до последнего времени в промышленности стандарте (ГОСТ 5294—60 "Система чертежного хозяйства. Обозначение чертежей и других технических документов изделий основного производства") отсутствовало единство в обозначении изделий. Он допускал использование двух систем обозначения: предметной и обезличенной.

В предметной системе в обозначении содержится только информация о входимости составных частей изделия, к которой затем привязывается простая порядковая нумерация составных частей (сборочных единиц и деталей).

В обезличенной системе в обозначении отсутствует информация о входимости одной составной части изделия в другое и, в итоге, в законченное изделие. Здесь основным компонентом является классификационная характеристика, содержащая информацию о наиболее существенных характеристиках изделия (признаки классификации).

Отсутствие единства, а также распространение ГОСТ 5294-60 только на изделия основного производства привело к разработке множества локальных отраслевых, заводских и других классификаторов изделий, используемых в системах обозначений.

В таких условиях предприятия даже одной отрасли промышленности не могли эффективно пользоваться конструкторской документацией других предприятий без изменения ее обозначений, что вызывало дополнительные затраты.

Кроме того, отсутствие единой классификации не позволяло присваивать одинаковые классификационные характеристики однородным изделиям и осуществлять широкое заимствование, унификацию и стандартизацию, сокращение номенклатуры проектируемых и изготовляемых изделий и их составных частей. Наличие различных систем классификации и структур обозначения нарушало единство информационного языка, ослабляло обмен информацией, снижало эффективность функционирования АСУ и взаимодействие отдельных звеньев народного хозяйства. При отсутствии единства обозначений не обеспечивался ожидаемый экономический эффект и от ЕСКД, внедренной в сферах разработки, производства, эксплуатации и ремонта изделий.

При решении основных конструкторских задач приходится иметь дело с поиском и заимствованием конструкторских документов по. их обозначениям, что может быть успешно достигнуто при наличии, лишь единой системы обозначения изделий и документов и единого классификатора изделий.

Для исправления сложившегося положения Госстандарт совместно с промышленными министерствами и ведомствами разработал государственный стандарт на обезличенную классификационную систему обозначения изделий и конструкторских документов и Классификатор ЕСКД.

За основу разработки этих документов были приняты следующие принципиальные положения:

полный отказ от предметной системы, не обеспечивающей единства обозначения, ограничивающей возможности тематического поиска документов и изделий и препятствующей унификации, стандартизации и заимствованию изделий;

распространение единой системы обозначения на изделия основного и вспомогательного производства всех отраслей промышленности.

Разработанные ГОСТ 2.201—80 "ЕСКД. Обозначение изделий и конструкторских документов" и Классификатор ЕСКД обеспечивают:

и установление единой обезличенной классификационной системы обозначения изделий и конструкторских документов, позволяющей введение во всех отраслях промышленности единого порядка построения, оформления, учета, хранения и обращения этих документов;

возможность использования организациями и предприятиями при разработке, производстве, эксплуатации и ремонте изделий конструкторской документации, разработанной другими организациями и предприятиями, без ее переоформления;

внедрение в производство автоматизированного и облегчение ручного поиска изделий и конструкторских документов, разработку вторичных конструкторских и технологических документов с применением ЭВМ, внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) и подготовки производства;

использование классификационных группировок для выявления объектов и определения направлений стандартизации унификации изделий.

Решение этих задач даст возможность сократить сроки и трудоемкость разработки, освоения в производстве и изготовления изделий, сократить сроки и трудоемкость технологической подготовки производства, сократить номенклатуру изделий и запасных частей к ним, увеличить серийность их производства, внедрить вычислительную технику в сферу проектирования и управления производством, повысить мобилизационную готовность промышленности.

5.3. Система обозначения конструкторских документов

Каждому изделию в соответствии с ГОСТ 2.101-68 должно быть присвоено обозначение. Обозначение изделия является одновременно обозначением его основного конструкторского документа (чертежа детали или спецификации).

Обозначения изделиям присваиваются централизованно или децентрализованно.

Централизованное присвоение обозначений осуществляется организациями, которым это поручено министерством, ведомством, в пределах объединения, отрасли.

Децентрализованное присвоение обозначений осуществляют организации-разработчики.

Обозначения изделий и конструкторских документов записываются в другие документы без сокращений, за исключением, случаев, предусмотренных ГОСТ 2.113—75. Деталям, на которые не выпущены чертежи в соответствии с ГОСТ 2.109—73, присваиваются самостоятельные обозначения по общим правилам.

ГОСТ 2.201—80 устанавливает следующую структуру обозначения изделия и его основного конструкторского документа:

Четырехзначный символьный код организации-разработчика назначается по кодификатору организаций-разработчиков. При централизованном присвоении обозначения вместо кода организации-разработчика указывается код, выделенный для централизованного присвоения обозначения.

Код классификационной характеристики присваивается изделию и конструкторскому документу по Классификатору ЕСКД.

Порядковый регистрационный номер присваивается по классификационной характеристике от 001 до 999 в пределах кода организации-разработчика при децентрализованном присвоении обозначений, при централизованном — в пределах кода организации, выделенного для централизованного присвоения.

Обозначение неосновного конструкторского документа состоит из обозначения изделия и кода документа:

ХХХХ.ХХХХХХ.XXX          XXX

Код документа от обозначения изделия точкой не отделяется и должен содержать не более четырех знаков, включая номер части документа (при ее наличии). Структура кода документов установлена ГОСТ 2.102—68, ГОСТ 2.105—70, ГОСТ 2.601—68, ГОСТ 2.602—68 и ГОСТ 2.701—84. Например:

АБВГ.ХХХХХХ.002СБ — сборочный чертеж;

АБВГ.ХХХХХХ.002ТО10—техническое описание, 11-я часть;

АБВГ.ХХХХХХ.002ЭЗ — схема электрическая принципиальная;

АБВГ.ХХХХХХ.002ПЭЗ — перечень элементов к схеме электрической принципиальной;

АБВГ.ХХХХХХ.002Э4.2 — схема электрическая соединений блока питания, 3-я схема, выпущенная в виде самостоятельного документа схемы соединений.

ЛЕКЦИЯ 6

План лекции:

6.1. Образование производных машин на базе унификации и стандартизации

6.2. Методы создания производственных унифицированных машин

6.1. Образование производных машин на базе унификации и стандартизации

Унификация представляет собой эффективный и экономичный способ создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности т. д. или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции, также рассчитанных на выпуск другой продукции.

Унификация. Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокращению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуатации и ремонта машин.

Унификация конструктивных элементов позволяет сократить номенклатуру обрабатывающего, мерительного и монтажного инструмента. Унификации подвергают посадочные сопряжения (по посадочным диаметрам, посадками точности размеров), резь6овые соединения (по диаметрам, типам резьб, посадкам и точности размеров, размерам под ключ), шпоночные и шлицевые соединения (по диаметрам, формам шпонок и шлицев, посадкам и точности размеров), зубчатые зацепления (по модулям, типам зубьев и точности размеров), фаски и галтели (по размерам и типам) и т. д.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней (в пределах данного изделия) и внешней (заимствование деталей с иных машин данного или смежного завода).

Наибольший экономический эффект дает заимствование деталей серийно изготовляемых машин, когда детали можно получить в готовом виде. Заимствование деталей машин единичного производства, машин, снятых или подлежащих снятию с производства, а также находящихся в производстве на предприятиях других ведомств, когда получение деталей невозможно или затруднительно, имеет только одну положительную сторону: проверенность деталей опытом эксплуатации. Во многих случаях и это оправдывает унификацию.

Унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных деталей, подшипников качения и других стандартных деталей облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприятий материалами, стандартными покупными изделиями.

Степень унификации оценивают коэффициентом унификации К_ун, который представляют как отношение:

К_ун = Z_ун / Z ∙ 100% ,

где Z – общее число деталей изделия; Z_ун – число унифицированных деталей.

Стандартизация. Стандартизация есть регламентирование конструкции и типоразмеров широко применяемых машиностроительных деталей, узлов и агрегатов.

Почти в каждой специализированной проектной организации стандартизируют типовые для данной отрасли машиностроения детали и узлы. Стандартизация ускоряет проектирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин и при целесообразной конструкции стандартных деталей способствует увеличению надежности машин.

Стандартизация дает наибольший эффект при сокращении числа применяемых типоразмеров стандартов, т. е. при их унификации. В практике проектных организаций эта задача решается выпуском о г р а н и ч и т е л е й, содержащих минимум стандартов, удовлетворяющих потребностям проектируемого класса машин.

Преимущества стандартизации реализуются в полной мере при централизованном изготовлении стандартных изделий на специализированных заводах. Это разгружает машиностроительные заводы от трудоемкой работы изготовления стандартных изделий и упрощает снабжение ремонтных предприятий запасными частями.

Степень стандартизации оценивают коэффициентом:

К_ст = N_ст / N ∙ 100% ,

где N_ст - число стандартных деталей; N общее число деталей в изделии.

Нельзя согласиться с распространенным среди конструкторов (особенно конструкторов творческого склада) пренебрежительным отношением к стандартам. Стандартизация является существенным фактором снижения себестоимости машин и ускорения проектирования. Однако непременным условием является высокое качество стандартов, непрерывное их совершенствование.

Кроме того, применение стандартов не должно стеснять творческую инициативу конструктора и препятствовать поискам новых, более рациональных конструктивных решений. При конструировании машин не следует останавливаться перед применением новых решений в областях, охватываемых стандартами, если эти решения имеют явное преимущество.

6.2. Методы создания производственных унифицированных машин

В настоящее время существует несколько направлений решения этой задачи унификации. Не все они являются универсальными. В большинстве случаев каждый метод применим только к определенным категориям машин, причем их экономический эффект различен.

Приведенная ниже классификация методов создания производственных унифицированных машин является условной. Некоторые из этих методов тесно взаимосвязаны; провести строгую границу между ними затруднительно. Возможно сочетание и параллельное применение двух или нескольких методов.

Секционирование. Метод секционирования заключается в разделении машины на одинаковые секции и образовании производных машин набором унифицированных секций.

Секционированию хорошо поддаются многие виды подъемно-транспортных устройств (ленточные, скребковые, цепные конвейеры). Секционирование в данном случае сводится к построению каркаса машин из секций и составлению машин различной длины с новым несущим полотном. Особенно просто секционируются машины со звеньевым несущим полотном (ковшовые элеваторы, пластинчатые конвейеры с полотном на основе втулочных роликовых цепей), у которых длину полотна можно изменять изъятием или добавлением звеньев.

Экономичность образования машин этим способом мало страдает от введения отдельных нестандартных секций, которые могут понадобиться для приспособления длины машины к местным условиям.

Секционированию поддаются также дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гидравлические насосы. В последнем случае набором секций можно получить ряд многоступенчатых насосов различного напора, унифицированных по основным рабочим органам.

Метод изменения линейных размеров. При этом методе с целью получения различной производительности машин и агрегатов изменяют их длину, сохраняя форму поперечного сечения. Метод применим к ограниченному классу машин (главным образом роторных), производительность которых пропорциональна длине ротора (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, мешалки, вальцовочные машины и т.д.).

Степень унификации при этом методе невелика. Унифицируются только торцовые крышки корпусов и вспомогательные детали. Главный экономический выигрыш дает сохранение основного технологического оборудования для обработки роторов и внутренних полостей корпусов. Частным случаем применения данного метода является повышение нагрузочной способности зубчатых передач за счет увеличения длины зубьев колес с сохранением их модуля.

Метод базового агрегата. В основе этого метода лежит применение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования. Наибольшее применение метод имеет при создании дорожных машин, самоходных кранов, погрузчиков, укладчиков, а также сельскохозяйственных машин.

Базовым агрегатом в данном случае обычно является тракторное или автомобильное шасси, выпускаемое серийно. Монтируя на шасси дополнительное оборудование, получают серию машин различного назначения.

Присоединение специального оборудования требует разработки дополнительных механизмов и агрегатов - коробок отбора мощности, подъемных и поворотных механизмов, лебедок, реверсов, тормозов, механизмов управления, кабин, которые, в свою очередь, можно в значительной мере унифицировать.

Конвертирование. При методе конвертирования базовую машину или основные ее элементы используют для создания агрегатов различного назначения, иногда близких, а иногда различных по рабочему процессу. Примером конвертирования может служить перевод поршневых двигателей внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой, с одного вида теплового процесса на другой (с цикла искрового зажигания на цикл с воспламенением от сжатия).

Бензиновые карбюраторные двигатели легко конвертируются в газовые. Для этого достаточна замена карбюратора смесителем и изменение степени сжатия (достигаемое проще всего изменением высоты поршней) и некоторые второстепенные конструктивные переделки. В целом двигатель остается таким же.

Конвертирование бензинового или газового двигателя в дизель представляет более трудную задачу, главным образом ввиду присущих дизелю повышенных рабочих нагрузок, обусловленных высокой степенью сжатия и большим давлением вспышки. Следовательно, конвертируемый двигатель должен обладать значительными запасами прочности. Конвертирование в данном случае заключается в замене карбюратора топливным насосом и форсунками (или насос-форсунками), изменении степени сжатия (смена головок цилиндров, увеличение высоты поршней или изменение конфигурации их днищ).

Другим примером конвертирования является перевод работы поршневых воздушных компрессоров на другой газ (аммиак, фреон). В этом случае при переделке необходимо учитывать различие физических и химических свойств рабочих реагентов и соответственно выбирать материалы рабочих деталей.

Примером конвертирования агрегатов, сильно различающихся по рабочему процессу, может служить преобразование двигателя внутреннего сгорания в поршневой компрессор. Конвертирование в данном случае включает замену головок двигателя клапанными коробками с соответствующим изменением механизма распределения и требует значительных переделок.

Компаундирование. Метод компаундирования (параллельного соединения машин или агрегатов) применяют с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые машины могут быть или установлены рядом как независимые агрегаты, или связаны друг с другом синхронизирующими, транспортными и другими подобными устройствами, или, наконец, конструктивно объединены в один агрегат.

Примером совмещения первого типа является парная установка судовых двигателей, работающих каждый на свой винт, а также установка двух или большего числа двигателей в крыльях самолета. Помимо повышения общей мощности (при затруднительности создания двигателя большой мощности) этот способ иногда позволяет удачно решать другие задачи. Так, параллельная установка судовых двигателей увеличивает маневренность судна, особенно на малом ходу. Установка нескольких двигателей на самолете облегчает виражирование и выруливание на земле, применение нескольких двигателей до известной степени увеличивает также надежность: при выходе из строя одного из двигателей можно продолжать рейс, хотя и с пониженной скоростью.

Примером совмещения второго типа является параллельная установка машин-орудий группами (по две-три). Ее применяют в автоматических линиях, когда производительность отдельной машины, входящей в поток, значительно уступает производительности всей линии. Такая установка требует разделения потока на два или больше потоков (соответственно числу параллельно устанавливаемых машин) с последующим соединением их в один.

Примером совмещения третьего типа является сдваивание или страивание линейных машин-орудий, т. е. объединение нескольких рабочих трактов на общей станине. В результате получается многолинейная параллельно-поточная машина с производительностью, повышенной соответственно числу трактов.

Модифицирование. Модифицированием называют переделку машины с целью приспособить ее к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции.

Модифицирование машины для работы в различных климатических условиях сводится преимущественно к замене материалов. В машинах, работающих в условиях жаркого и влажного климата (машины тропического исполнения), применяют коррозионно-стойкие сплавы; в машинах, эксплуатируемых в областях с суровым климатом (машины арктического исполнения) — хладостойкие материалы; системы смазки приспосабливают к работе при низких температурах.

Модифицирование стационарных машин для работы на морском транспорте (машины морского исполнения) заключается во всемерном облегчении машины путем замены тяжелых сплавов (чугуна) легкими (алюминиевыми) и введением материалов, устойчивых против коррозии во влажном морском воздухе и при соприкосновении с морской водой.

Сложнее модифицирование машин с целью их приспособления к различным операциям или изделиям. В этом случае метод модифицирования тесно связан с методом агрегатирования. Иногда в понятие модифицирования вкладывают смысл модернизации машин и улучшения их показателей.

Агрегатирование. Агрегатирование заключается в создании машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине.

Наиболее полное отражение этот принцип получил в конструкции агрегатных металлообрабатывающих станков. Такие станки создают на основе унифицированных блоков (основные блоки, механизмы синхронизации, поворотные столы, корпуса общего назначения, станины, тумбы, вспомогательные узлы, системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей).

Большая часть изделия в процессе обработки остается неподвижной. К нему с разных сторон подводят соответствующим образом настроенные блоки; операции обработки происходят одновременно, что ускоряет технологический процесс.

Основные преимущества агрегатирования: сокращение сроков и стоимости проектирования и изготовления машин, упрощение обслуживания и ремонта, возможность переналадки для обработки разнообразных деталей. Метод агрегатирования весьма перспективен. Помимо металлорежущих станков он применим для других машин-орудий.

Частичным агрегатированием является использование стандартизованных узлов и агрегатов из числа серийно выпускаемых промышленностью (редукторы, насосы, компрессоры), а также заимствование с серийно изготовляемых изделий узлов и агрегатов (коробок скоростей, механизмов переключения муфт, фрикционов и т. д.).

Комплексная стандартизация. Близок к агрегатированию метод комплексной стандартизации, применяемый для агрегатов простейшего типа (отстойники, выпарные установки, смесеприготовительные установки). Простота конструктивных форм этих агрегатов позволяет стандартизировать все или почти все элементы их конструкции. Стандартизации по типоразмерам поддаются обечайки резервуаров, днища, крышки, лазы, люки, арматура, лапы крепления, стойки. Стандартизируют также узлы (теплообменники, приводы мешалок, дозирующие устройства) и т. д.

Особенностью аппаратов этого типа является широкое применение вспомогательного покупного оборудования (насосов, фильтров, приборов контроля и управления, средств автоматизации).

Из стандартных деталей, унифицированных узлов и покупного оборудования можно компоновать аппараты:

с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производительностью;

одинакового назначения, но с различными параметрами рабочего процесса (давление, вакуум, температура);

различного назначения и с разным рабочим процессом.

Унифицированные ряды. В некоторых случаях возможно образование ряда произвольных машин различной мощности или производительности путем изменения числа главных рабочих органов и их применения в различных сочетаниях. Такие ряды называют семейством, гаммой или серией машин. Этот способ применим к машинам, мощность или производительность которых зависит от числа рабочих органов.

Метод обеспечивает следующие технологические и эксплуатационные преимущества:

упрощение, ускорение и удешевление процессов проектирования и изготовления машин;

возможность применения высокопроизводительных методов обработки унифицированных деталей;

уменьшение сроков доводки и освоения опытных образцов (благодаря отработанности главных рабочих органов);

облегчение эксплуатации;

сокращение сроков подготовки обслуживающего технического персонала и сроков ремонта машин, а также упрощение снабжения запасными деталями.

Классическим примером образования унифицированных машин является создание рядов четырехтактных двигателей внутреннего сгорания на основе унифицированной цилиндровой группы и частично унифицированной шатунно-поршневой группы. Сочетание цилиндров ограничивается условием уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс и условием равномерного чередования вспышек. Так как мощность двигателя пропорциональна числу цилиндров, то представленный ряд двигателей позволяет теоретически получить семейство двигателей с очень широким диапазоном мощностей.

ЛЕКЦИЯ 7

План лекции

7.1. Машиностроительные материалы. Свойства металлов.

7.2. Черные металлы.

7.3. Цветные металлы и сплавы.

7.4. Термическая и химико-термическая обработка стали.

7.5. Коррозия металлов и защитные покрытия

7.6. Неметаллические материалы.

7.1 Машиностроительные материалы. Свойства металлов

Расчет и проектирование деталей начинаются с выбора материала и назначения режимов обработки его, которые определяются конструктивными (обеспечение надежности), технологическими (вид производства – единичное, серийное, массовое) и экономическими соображениями. Для изготовления деталей в машиностроении широко используют стали и чугуны, алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы, а также различные неметалллические материалы.

Металлы и их сплавы являются важнейшими материалами, применяемыми для изготовления различных машин, станков, приборов, инструментов и сооружений.

Характерными признаками металлов является металлический блеск, высокая электропроводность и теплопроводность, а также пластичность, т.е. способность изменять свою форму при обработке давлением.

Технически чистые металлы имеют ограниченное применение в промышленности. Большинство наиболее распространенных металлов в технике применяется в виде металлических сплавов, которые обладают более ценными механическими, технологическими и другими свойствами, чем чистые металлы.

Свойства металлов подразделяются на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов. К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение и др.

Плотность – количество вещества, содержащееся в единице объема.

Плавление – способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Теплопроводность – способность металла с той или иной скоростью проводить тепло.

Электропроводность – способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение – способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

Химические свойства металлов. Химические свойства металлов характеризуют отношение их к химическим воздействиям различных активных сред. Основными химическими свойствами металлов являются окисляемость и коррозионная стойкость.

Окисляемость – способность металла вступать в реакцию с кислородом под воздействием окислителей.

Коррозионная стойкость – способность металла сопротивляться коррозии.

Механические свойства металлов. К механическим свойствам металлов относят твердость, прочность, вязкость, упругость и пластичность.

Твердость – способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела.

Прочность – способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Вязкость - способность металла сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам.

Упругость - способность металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия действующей нагрузки.

Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменить свою форму под действием нагрузки и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.

Технологические свойства металлов. Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным видам обработки. Основными технологическими свойствами металлов являются ковкость, свариваемость, жидкотекучесть, прокаливаемость, обработка резанием.

Ковкость – способность металла изменять свою форму в нагретом или холодном состоянии под действием внешних сил.

Свариваемость – способность двух частей металла при нагревании прочно соединяться друг с другом.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла легко растекаться и хорошо заполнять форму.

Прокаливаемость – способность металла закаливаться на ту или иную глубину.

Обрабатываемость резанием – способность металла подвергаться механической обработке режущим инструментом с определенной скоростью и усилием резания.

Металлы и сплавы делятся на черные и цветные. К черным относят железо и славы на его основе (сталь, чугун и т.д.), к цветным – все остальные металлы и сплавы.

Правильный выбор конструктором материалов для изготовления машины и отдельных ее частей определяет качество будущей разработки и оптимальные технико-экономические показатели.

7.2. Черные металлы

К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, фосфор, марганец, сера и другие элементы.

Чугун – нековкий, железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор, сера.

Он обладает высокими литейными свойствами, определившими область его использования в качестве конструкционного материала. Хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида или цементита. Чугуны в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100 – 1200⁰С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.

Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются резанием и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными.

Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950 – 1000⁰С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.

Для повышения прочности чугуны легируют, т.е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют к ним магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).

Наибольшее применение получили чугуны следующих марок:

- отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412-79);

- отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КС37-12 и др. (ГОСТ 1215-79).

Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ – серый чугун, КЧ - ковкий чугун. Цифры после у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении.

Сталь – сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами.

Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.

Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров.

Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам:

- по химическому составу – углеродистая, легированная;

- по качеству – сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;

- по назначению – конструкционная, инструментальная.

Углеродистая сталь широко используется в промышленности. Основной составляющей частью, определяющей ее механические и другие свойства, является углерод. Увеличение содержания углерода в стали повышает прочность и твердость, но уменьшает вязкость и делает ее более хрупкой.

В зависимости от назначения углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную.

Углеродистые конструкционные стали делятся на обыкновенного качества (ГОСТ 380-78) и качественные (ГОСТ 1050-74). В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные стали (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Стали обыкновенного качества маркируют буквами СТ (сталь) и цифрами 1, 2, 3, …,6 (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Чем больше это число, тем больше в ней содержится углерода. В зависимости от назначения эти стали делятся на три группы:

- группа А – стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст1сп, Ст2кп и др.);

- группа Б – стали, поставляемые с гарантийным химическим составом (БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп и др.);

- группа В – стали повышенного качества с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5),

Цифры, обозначающие марку стали, показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 45 содержит в среднем 0,45% углерода).

Низкоуглеродистые стали марок 05, 08, 10, 20, 25 применяются для малонагруженных деталей, изготовление которых связано со сваркой и штамповкой. Из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, 55 изготавливают оси, валы, зубчатые колеса и другие детали. Высокоуглеродистые стали идут на изготовление спиральных пружин, тросов и других ответственных деталей.

Инструментальная качественная сталь обозначается буквой У, после которой ставится цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У8, У10 и т.д.

Инструментальная высококачественная сталь содержит меньше, чем качественная, вредных примесей (серы, фосфора). Маркируют ее так же, как и качественную, но с добавлением буквы А, например У7А, У8А и т.д. Применяется инструментальная углеродистая сталь для изготовления различных инструментов (ударных, режущих, измерительных и др.).

В состав легированной стали кроме углерода входят элементы, улучшающие ее свойства. К таким элементам относятся: хром, никель, кремний, вольфрам, марганец, ванадий, кобальт и др. В зависимости от вводимых легирующих элементов стали делятся на хромистые, никелевые, кремнистые, хромоникелевые, хромованадиевые и др.

Легирующие элементы придают стали, в зависимости от ее назначения, необходимые свойства.

Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0.8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.

Легированная сталь по количеству введенных в нее легирующих элементов классифицируется на низколегированную (до 5% легирующих элементов), среднелегированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%).

По назначению легированная сталь, как и углеродистая, подразделяются на конструкционную и инструментальную.

Легирующие элементы, введенные в состав стали, согласно стандарту, имеют следующие обозначения : Х – хром, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Г – марганец, Т – титан, С – кремний, Н – никель, Д – медь, Ю – алюминий, Р – бор, А – азот. Высококачественную сталь обозначают с добавлением в конце маркировки буквы А.

Легированная сталь маркируется сочетанием цифр и букв. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – легирующие элементы, последующие за буквами цифры - содержание в процентах этих элементов в стали. Так, марка 40Х обозначает хромистую сталь с содержанием 0,4% углерода и 1% хрома; 12ХН3А хромоникелевую сталь, содержащую около 0,12% углерода, 1% хрома и 3% никеля и т.д.

Из конструкционной легированной стали изготавливают ответственные детали машин и различные металлические конструкции. Для улучшения механических свойств детали из этой стали подвергаются термической обработке.

К конструкционным легированным сталям относятся: хромистая (15Х, 20Х, 30Х, и др.), хромованадиевая (15ХФ, 20ХФ, 40ХФА), хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС), хромоникелевая (12ХН2, 12ХН3А и др.).

Инструментальная легированная сталь по сравнению с углеродистой обладает большой износоустойчивостью, она глубже прокаливается, обеспечивает повышенную вязкость в закаленном состоянии и менее склонна к деформациям и трещинам при закалке.

Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых, потому что у них низкая теплостойкость, равная 200 – 250⁰С.

Назначение некоторых марок легированных инструментальных сталей следующее: сталь 9ХС применяется для изготовления плашек, сверл, разверток, фрез, гребенок, метчиков; стали 11Х и 13Х – для напильников, бритвенных ножей, хирургического и гравировального инструмента; сталь ХВГ – для длинных метчиков, разверток и других инструментов.

Для изготовления режущего инструмента применяется быстрорежущая сталь, которую так назвали за высокие режущие свойства. Благодаря наличию в ее составе вольфрама и ванадия эта сталь обладает высокой теплостойкостью, красностойкостью, т. е. способностью сохранять высокие твердость и износостойкость при повышенных температурах. Основные марки быстрорежущих сталей – Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р9К5.

7.3. Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы широко применяются в промышленности, несмотря на сравнительно высокую их стоимость. К цветным металлам относятся: медь, алюминий, магний и др.

Медь - металл красноватого цвета, плотность 8,93 г/см³, температура плавления 1083°С. Наиболее ценные свойства меди - высокая электропроводность, пластичность, теплопроводность, повышенная коррозионная стойкость. Медь широко применяется в электропромышленности, а также для получения различных сплавов, используемых в машиностроении.

Основные марки меди: М00, МО, М1, М2, МЗ, М4.

Алюминий - легкий серебристо-белый металл, плотность 2,7 г/см³, температура плавления 658 °С. Он обладает высокой электропроводностью, хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, поддается обработке давлением и прокатывается в тонкую фольгу. Алюминий служит для изготовления электропроводов, посуды, фольги, а также получения многих сплавов, применяемых в промышленности. В чистом виде алюминий используется мало, так как он имеет невысокие механические свойства. Основные марки алюминия: А999, А995, А99, А97, А95.

Магний - блестящий белый металл, плотность 17,4 г/см³, температура плавления 650°С. Магний употребляется для получения легких сплавов, обладающих высокими механическими свойствами (сплавы с алюминием, марганцем, цинком). Основные марки магния: Мг1, Мг2.

Цветные сплавы. Как уже было сказано ранее, цветные металлы (медь, алюминий, магний и пр.) в чистом виде имеют ограниченное применение. Для улучшения их механических, технологических и других свойств из цветных металлов готовят различные цветные сплавы: латуни, бронзы, алюминиевые и др.

Наиболее распространенными в промышленности сплавами цветных металлов являются следующие.

Латунь - сплав меди с цинком. По сравнению с чистой медью она имеет повышенную прочность, пластичность и твердость, а также обладает большей коррозионной стойкостью и жидкотекучестью. Латунь служит для изготовления листов, проволоки, литой и штампованной арматуры, посуды и т. д.

Основные виды латуни: литейные (для фасонного литья) и обрабатываемые давлением. Латунь обозначается буквой Л и цифрой, указывающей процент содержания меди в сплаве. Например, марка латуни Л62 обозначает, что в ней содержится около 62% меди.

Наряду с простой применяется также специальная латунь, в состав которой входят железо, марганец, никель, олово и др. По прочности некоторые латуни не уступают углеродистой стали.

Специальная латунь кроме буквы Л маркируется условными обозначениями легирующих элементов: Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, К – кремний, С —свинец. Количество элементов указывается цифрами. Например, марка ЛС59-1 обозначает свинцовисту латунь, в которой содержится 59% меди, 40% цинка и 1% свинца.

Наиболее часто употребляются простые латуни Л62, Л68 и специальные ЛМц58, ЛС59-1, ЛО62-1 и др.

Бронза - сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и высокими антифрикционными свойствами. В зависимости от легирующих элементов, входящих в сплав, бронзы делят на оловянные, алюминиевые, марганцевые, кремниевые, свинцовые и др.

Оловянная бронза имеет повышенную коррозионную стойкость, жидкотекучесть и обладает хорошим антифрикционными свойствами. Она применяется в основном для отливки подшипников и других подобных дета лей и обозначается буквами БрО с цифрами, указывающими содержание в ней олова в процентах. Основные марки оловянной бронзы: БрО10 БрО14, БрО20.

А л ю м и н и е в а я бронза по сравнению с оловянной имеет большую пластичность, коррозионную стойкость и лучше сопротивляется износу, но обладает более низкими литейными свойствами.

Добавление в алюминиевую бронзу железа, никеля и марганца повышает ее коррозионную стойкость и механические свойства. Такая бронза используется для изготовления фасонного литья, арматуры, зубчатых колес и других деталей. Основные марки алюминиевой бронзы БрАЖ9-4, БрАЖН 10-4-4.

М а р г а н ц е в а я бронза обладает высокой пластичностью, хорошо сопротивляется коррозии, но имеет сравнительно невысокие механические свойства и служит в основном для изготовления паровой арматуры. Основной маркой, марганцевой бронзы является БрМц5.

К р е м н и е в а я бронза характеризуется высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами. Для увеличения коррозионной стойкости в нее добавляют марганец, а для улучшения антифрикционных свойств - свинец. Из кремниевой бронзы изготовляют пружинящие контакты, проволоку и т. д. Наиболее распространена бронза марки БрКМцЗ-1.

Б е р и л л и е в а я бронза обладает высокой упругостью, износоустойчивостью и твердостью. Бронза марки БрБ2 употребляется для изготовления пружин, износоустойчивых деталей и т. д.

Бронзы маркируются следующим образом: Бр – бронза, последующие буквы обозначают легирующие элементы, цифры - процентный состав олова и других элементов. Например, марка БрОЦС-5-5—5 обозначает, что в бронзе содержится 5% олова, 5% цинка, 5% свинца, остальное медь.

С и л у м и н - сплав алюминия с кремнием, обладает хорошими литейными свойствами и широко применяется для всевозможных отливок. По сравнению с алюминием имеет лучшие механические свойства и повышенную плотность. Основные марки силумина: АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ9.

Д ю р а л ю м и н - сплав алюминия с медью, магнием и марганцем, Медь и магний при термической обработке увеличивают прочность сплава, а марганец - твердость и коррозионную стойкость. Дюралюмин подвергают терми-ческой обработке для повышения его механических свойств, которые при этом приближаются к свойствам среднеуглеродистой стали. Особенно распространен этот сплав в авиационной промышленности. Основные марки дюралю-мина: Д1, Д6, Д16, Д18.

М а г н и е в ы е сплавы - сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем и другими элементами. Литейные свойства магниевых сплавов ниже алюминиевых, однако благодаря своей малой плотности они часто применяются в авиастроении, радиопромышленности и т. д. Прочность магниевых сплавов может быть повышена путем термической обработки. Основные марки магниевых сплавов: МЛ4, МЛ5.

Твердые сплавы. Твердые сплавы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки металлов с высокими скоростями резания (от 100 до 1200 м/мин и более). Твердые сплавы получают спеканием порошков вольфрама, титана, кобальта и угля при температуре 1500—1550°С. Пластинки из твердого сплава обладают твердостью НRА87 - 90, малой теплопроводностью и низким коэффициентом расширения при нагреве.

Твердые сплавы вольфрамовой группы предназначены для обработки хрупких материалов, например чугуна, бронзы и других металлов. Сплавы этой группы обозначаются буквой В: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК11 и др. (2 -11% кобальта и остальное - карбиды вольфрама). В настоящее время находят широкое применение твердые сплавы с более мелкозернистой структурой - ВКЗМ, ВК6М, ВК8М. Твердые сплавы вольфрамо-титановой группы применяются для обработки стали и обозначаются буквой Т - Т15К10, Т15К6, Т14К8, Т15К6Т, ТЗОК4, Т60К6 и др. (5 - 60% карбидов титана, 6 - 10% кобальта, остальное - карбиды вольфрама).

Введение карбида тантала в твердые сплавы увеличивает сопротивление к трещинообразованию при резких сменах температуры, и прерывистом резании, повышает стойкость и позволяет применять скорости резания в 1,5 - 2 раза выше, чем при использовании инструментов и обычных сплавов. К титано-тантало-вольфрамовой группе относятся марки сплавов ТТ7К12, ТТ7К15, Т5К12В и др.

Минералокерамические твердые сплавы обладают твердостью НRА 92 - 93 и сохраняют режущие свойства при температуре до 1200°С. Этот инструментальный материал не содержит таких дефицитных и дорогостоящих материалов, как вольфрам, кобальт и титан. Его основой является спеченная окись алюминия. Из минералокерамики изготовляют пластинки двух марок: ТВ-48 (термокорунд) и ЦМ-332 (микромит), которые также применяются при различных видах обработки, где используется инструмент с механическим креплением пластинок.

7.4. Термическая и химико-термическая обработка стали

Термическая обработка стали. Термической обработкой называется процесс нагрева металла до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с той или иной скоростью. В результате такого процесса не изменяется химический состав металла, но меняются его структура и механические свойства.

Структуру металла (его строение) можно определи по излому. На поверхности излома видно большое количество зерен, связанных между собой. Каждое такое зерно состоит из мельчайших частиц - атомов, которые, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку.

В металлах чаще всего встречаются три типа расположения атомов: атомы располагаются в углах и в центре куба, образуя кубическую объемно-центрированную решетку (рис. 7.1,а); атомы располагаются по углам куба и в середине каждой его грани, образуя кубическую гранецентрированную решетку (рис. 7.1,б); атомы располагаются в углах и в центре на шестигранных основаниях призмы и три атома внутри ее, образуя гексагональную решетку (рис. 7.1,в).

Процесс перестройки атомов одного вида пространственной решетки в другой при определенных температурных условиях называют аллотропическим превращением. Аллотропические формы, в которых кристаллизуется металл, называют модификациями и обозначают a, b, g, d и т. д.

Атомы меняют свое расположение, в зависимости от температуры нагрева. При нагреве железа до температуры 910°С атомы располагаются в виде куба, образуя кристаллическую решетку a-железа; восемь атомов расположены по углам решетки и один - в центре ее (рис. 7.1.а). Если нагревать железо выше 910°С, кристаллическая решетка с перегруппиро-ванными атомами превращается в куб с четырнадцатью атомами и образует решетку g -железа (рис.7.1,б).

В сталях превращение a-железа в - g -железо протекает при температуре более низкой (723°С), чем в чистом железе. Если нагретый металл медленно охлаждать, то перестройка кристаллической решетки происходит в обратном порядке.

Свойства металла зависят от расположения атомов в кристаллической решетке. Железо в отожженной стали находится в форме a-железа и называется ферритом. Углерод же с железом связан химически, и такая структура называется цементитом (карбид железа). Феррит вязок, а цементит обладает большой, твердостью и хрупкостью. Структура, при которой зерна цементита равномерно расположены в феррите, называется перлитом. Твердый раствор углерода в железе, образующийся при высокой температуре, называется аустенитом. Структура закаленной стали, полученная при быстром охлаждении, называется мартенситом; такая сталь обладает высокой твердостью и хрупкостью.

Термическая обработка бывает нескольких разновидностей: отжиг, нормализация, закалка и отпуск, поверхностная закалка, обработка холодом.

Отжиг применяется в основном для снижения твердости, чтобы облегчить механическую обработку и снять в стали внутренние напряжения. Температура нагрева при отжиге зависит от содержания в стали углерода. Сталь с содержанием углерода более 0,8% нагревают до температуры 750 - 760°С, для стали с меньшим содержанием углерода температуру постепенно повышают до 930—950°С. После нагрева металл медленно охлаждают в печи. В отожженном состоянии сталь приобретает перлитную структуру.

Нормализация предназначается для улучшения структуры стали, снятия внутренних напряжений и обеспечения лучших условий обработки резанием. Она отличается от отжига тем, что охлаждение производится не в печи, а на воздухе.

После нормализации сталь приобретает также перлитную, но более мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали при этом выше, чем после отжига.

Закалка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или на воздухе. Закалка применяется в сочетании с отпуском для повышения твердости, прочности и износоустойчивости стали. 

Углеродистые и легированные стали под .закалку нагреваются в электрических печах или в соляных ваннах. В результате закалки сталь получает мелкозернистую структуру, в которой преобладает мартенсит - самая твердая и хрупкая структура.

При быстром охлаждении во время закалки в металле возникают внутренние напряжения, которые могут вызвать трещины, коробление и хрупкость. Эти дефекты устраняют последующим отпуском.

Отпуск заключается в нагреве стали до температуры, значительно более низкой, чем при закалке, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые и легированные стали нагревают до температуры 150 - 250°С, а быстрорежущие подвергаются трехкратному отпуску при температуре 550 - 580°С. Охлаждение осуществляется на воздухе.

Поверхностная закалка представляет собой нагрев до определенной температуры (температуры закалки) поверхностного слоя стального изделия с последующим быстрым охлаждением. При этом можно получить высокую твердость в относительно тонком слое (от 0,3 до 10 мм) рабочих поверхностей изделия без изменения структуры и твердости внутренней массы металла этого изделия. Такое свойство особенно ценно для напряженно работающих деталей (коленчатые валы двигателей, зубчатые колеса и др.),' которым необходима большая твердость трущихся рабочих частей и упругая (нехрупкая) основная масса металла изделия.

Поверхностная закалка осуществляется на специальных высокочастотных установках с помощью индукторов, через которые пропускают токи высокой частоты (ТВЧ). Высокочастотная поверхностная закалка обеспечивает хорошее качество металла, поэтому широко применяется в промышленности.

Обработка холодом заключается в повышении твердости и износоустойчивости стали в результате перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит.

Эта обработка производится на специальных установках, обеспечивающих температуру ниже нуля.

Химико-термическая обработка. Химико-термическая обработка применяется для изменения химического состава и свойств поверхностной твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости. Достигается это внедрением (диффузией) определенных элементов из внешней среды в поверхностный слой металла.

К химико-термической обработке стали относятся: цементация, азотирование, цианирование, алитирование.

Цементация - насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве до температуры 880—950°С с последующей закалкой. Цель ее - получение высокой твердости и износоустойчивости поверхности детали. Цементации подвергаются детали из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,1 - 0,25%. При насыщении количество углерода может быть доведено до 1 - 1,25%. Цементацию деталей обычно производят после их механической обработки с оставлением припуска на окончательную шлифовку.

Азотирование - поверхностное насыщение стали азотом при нагреве до температуры 500—700°С в аммиаке. Азотированию подвергают главным образом детали, изготовленные из сталей, содержащих алюминий, хром и молибден, для повышения твердости, износоустойчивости поверхностного слоя и коррозионной стойкости.

Цианирование - совместное насыщение поверхности стали одновременно углеродом и азотом при температуре 530—550°С. Оно может выполняться в жидкой, твердой и газообразной средах. Цианирование применяют для повышения стойкости спиральных сверл и других быстрорежущих инструментов и деталей сложной конфигурации.

Алитирование - поверхностное насыщение стали алюминием, диффузией его сред, содержащих алюминий. При этом сталь приобретает высокую окалиностойкость (при температурах до 800—850°С). Применяется алитирование для топливных баков газогенераторных машин, чехлов термопар, разливочных ковшей и т. д.

Коррозия металлов и защитные покрытия. Коррозией называется процесс разрушения металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с окружающей внешней средой. В деталях и сооружениях под действием коррозии происходит постепенное разрушение поверхности, образование раковин, а также полное изменение металла, например, тонкие листы металла могут целиком превратиться в ржавчину.

Потери металла от коррозии довольно велики и наносят ущерб хозяйству. В обычных условиях коррозия развивается под действием воды и кислорода. Известно несколько видов коррозии, основными из них (по разрушительному действию) являются химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия является результатом воздействия на металл агрессивной среды, не проводящей электрический ток. Такой средой могут быть газы или некоторые органические вещества, например масла. На поверхности металла образуются химические соединения, чаще всего пленки окислов.

Электрохимическая коррозия возникает при соприкосновении металла с жидкостью, проводящей электрический ток и называемой электролитом. Такими жидкостями могут быть кислоты, щелочи, растворы солей, почвенная вода и пр.

Чтобы предохранить металл от коррозии, применяют следующие основные способы его защиты: металлические покрытия; неметаллические покрытия; химические покрытия.

Металлические покрытия. На защищаемый от коррозии металл наносят тонкий слой другого металла, обладающего большой антикоррозионной стойкостью. Нанесение металлических покрытий производится следующими способами: горячим, гальваническим, металлизацией (распылением) и др.

При горячем способе покрытие образуется в результате погружения деталей в ванну с расплавленным металлом. Этим способом производится цинкование (покрытие цинком), лужение (оловом), свинцевание (покрытие свинцом), алитирование (алюминием).

Гальванический способ заключается в том, что на поверхность изделий, погруженных в ванну с электролитом, под действием электрического тока осаждается тонкий слой металла. Гальванические покрытия образуются при электролизе раствора солей таких металлов, как цинк, олово, свинец, никель, хром и др.

Преимущество этого способа перед другими в том, что он допускает нанесение любого металла на изделия с требуемой толщиной слоя защитного покрытия (от 0,005 до 0,030 мм) без нагрева изделия. Распространены следующие гальванические покрытия: хромирование, никелирование, цинкование и др.

Металлизация (распыление) заключается в нанесении тонкого слоя' расплавленного металла на изделие специальным аппаратом металлизатором.

Неметаллические покрытия. Для защиты от коррозии изделия покрывают лаками, красками, эмалями и смазкой. Назначение этих покрытий - изоляция металла от воздействия внешней среды.

Лакокрасочные покрытия составляют около 65 - 70% от всех антикоррозионных покрытий. Недостаток этих покрытий - их малая механическая прочность и обгорание при высоких температурах.

Химические покрытия на поверхности изделий образуют защитные неметаллические пленки, чаще всего окисные. Такие покрытия образуются в результате обработки паром и др.

При оксидировании изделия погружают в растворы азотнокислых солей при температуре около 140°С.

Обработку паром готовых инструментов или деталей машин применяют для увеличения коррозионной стойкости и уменьшения износа рабочих поверхностей инструментов и деталей в процессе их работы. Паром обрабатывают детали и инструменты после термической и окончательной механической обработки, включая заточку и доводку. Стальные изделия при нагреве до 400 - 600°С под действием паров воды подвергаются активному окислению с образованием на поверхности характерной окисной пленки

При этом происходит дополнительный отпуск - снимаются напряжения, полученные на предыдущих операциях. Окисная пленка играет роль твердого и смазывающего вещества и способствует увеличению износостойкости и коррозионной устойчивости деталей.

7.6. Неметаллические материалы

Наряду с металлами во всех отраслях промышленности большое распространение получили неметаллические материалы. К ним относятся пластические массы, резина, химикаты, формовочные, текстильные, древесные, лакокрасочные и другие материалы. Особо следует отметить пластмассы, с каждым годом все шире внедряемые в промышленность.

Пластмассы. Пластмассы представляют собой материалы, основой которых служат природные или синтетические соединения, способные при нагревании или под давлением формоваться и устойчиво сохранять приданную им форму. В состав пластмасс входят различные наполнители (древесная мука, ткань, бумага, стеклянное волокно, хлопковые очесы и др.), повышающие прочность, связующие веществ, (естественные и искусственные смолы, фенолоформальдегидные смолы), красители, пластификаторы, повышающие пластичность и эластичность, а также ряд других вспомогательных веществ.

Большинство изделий из пластмасс изготовляется горячим прессованием в металлических пресс-формах или литьем под давлением. Поэтому они не нуждаются в последующей механической обработке. Из пластмасс (слоистых), выпускаемых в виде прутков и листового материала, изделия изготовляют механической обработкой.

Изделия из пластмасс имеют малую плотность, достаточную прочность, высокие антикоррозионные и электроизоляционные свойства; они значительно дешевле металлических изделий.

Пластмассы применяются в качестве заменителей дефицитных цветных металлов и сплавов при производстве электроаппаратуры, зубчатых колес, вкладышей, подтипов, вытяжных штампов и даже крупногабаритных изделий (кузова автомобилей и др.).

Основные виды пластмасс, имеющие промышленное значение, следующие: текстолит (содержащий ткань), гетинакс (содержащий бумагу), лигнофоль и дельтадревесина (содержащие, древесину), стеклопластики (со стекловолокнистым наполнителем), полиэтилен, полистирол, карболит, волокнит, различные полимеры и др.

Абразивные материалы. Абразивные материалы представляют собой большую группу неметаллических материалов высокой твердости, предназначенных для шлифовки, заточки и доводки инструмента, деталей и т. д. Из абразивных материалов изготовляются шлифовальные круги, шлифовальные шкурки, шлифовальные порошки, доводочные пасты и др.

Абразивные материалы бывают природные (алмаз, кварц, корунд, гранат) и искусственные (электрокорунд нормальный, электрокорунд титанистый, монокорунд, карбид кремния зеленый и черный, карбид бора, синтетические алмазы, кубический нитрид бора и др.). Чаще всего на машиностроительных заводах используют искусственные абразивные материалы.

Режущие свойства абразивных материалов зависят от их зернистости, твердости, рода связки и структуры.

Зернистость (размер зерна) абразивного материала по ГОСТ 3647-80 имеет следующие номера: 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16, 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3, М40, М20, М14, М10, М7, М5 в порядке уменьшения размера зерна. Номер зерна соответствует длине стороны ячейки сита в сотых долях миллиметра. В зависимости от размера зерна абразивные материалы разделяются на три группы: шлифзерна (№200 - 16), шлифпорошки (№12 - 3) и микропорошки (№ 40 - М5).

Абразивные материалы имеют высокую твердость и уступают по твердости только алмазу. Под твердостью абразивного круга понимают не твердость зерна, а прочность связки, ее способность удерживать шлифующие зерна при эксплуатации. Согласно ГОСТ 19202—80 различают следующую твердость абразивных кругов: мягкие (М1, М2,), среднемягкие (СМ1, СМ2), среднетвердые (СТ1, СТ2, СТЗ), твердые (Т1, Т2).

Абразивные зерна при изготовлении абразивных инструментов соединяются между собой связками: керамической (К), бакелитовой (Б), вулканитовой (В) и др.

Структура абразивного инструмента характеризуется объемным соотношением между зернами, связкой и порами. Абразивный инструмент имеет три структуры: плотную (№ 0 - 3), среднеплотную (№ 4 - 8) и открытую (№9 - 12).

Абразивная промышленность выпускает все необходимые для производства абразивы, причем электрокорунд составляет 75% от всего выпуска абразивов, он содержит 92 - 94% окиси алюминия. Электрокорунд обладает большой твердостью и вязкостью. Он бывает двух разновидностей: электрокорунд нормальный (Э-1А) и электрокорунд белый (ЭБ-2А). Тот и другой применяю для обработки сталей, чугуна, вязкой бронзы и т. д.

Для обработки твердых сплавов, серого чугуна, меди, алюминия и других металлов и сплавов, обладающих низким сопротивлением разрыву, применяют абразивные инструменты из карбида кремния двух марок: КЗ-6С (зеленый)| и КЧ-5С (черный).

Природные и искусственные (синтетические) алмазы Из всех абразивных материалов особое место занимают природные и искусственные (синтетические) алмазы. Твердость алмаза значительно превосходит твердость всех применяемых в промышленности инструментальных и абразивных материалов. Алмаз заслуженно называют «королем твердых тел».

Алмаз и технический прогресс неотделимы. Однако до недавних пор применение природных алмазов в промышленности ограничивалось их добычей. В настоящее время, несмотря на успешную разработку богатейших месторождений, добыча алмазов еще не может удовлетворять возрастающую потребность общества.

Поэтому наряду с природными алмазами все большее значение для техники приобретают искусственные (синтетические) алмазы. Синтетические алмазы при изготовлении из них алмазно-абразивного инструмента не только не уступают природным, но имеют перед ними значительные пре имущества - они дешевле и обладают большой работоспособностью. Синтетическому алмазу покоряются самые твердые труднообрабатываемые материалы: оптическое и техническое стекло, хрусталь, кварц, твердые сплавы, фарфор, корунд, мрамор, гранит, германий, кремний, различная керамика, бетон, огнеупоры и др.

В первую очередь синтетические алмазы получили широкое применение в инструментальном производстве для заточки и доводки твердосплавного металлорежущего инструмента, что повышает его стойкость в 2 - 3 раза, сокращает расход твердых сплавов в 1,5 - 2 раза, повышает класс шероховатости обрабатываемой поверхности.

Наиболее перспективными являются синтетические сверхтвердые материалы, созданные на базе поликристаллов алмаза (карбонадо, баллас) и кубического нитрида бора (эльбор-Р, композит, гексанит-Р).

Поликристаллы кубического нитрида бора превосходят по теплостойкости алмазы, быстрорежущую сталь, твердый сплав и минералокерамику. Сочетание таких уникальных физико-химических свойств позволяет применять эльбор-Р при обработке закаленных сталей, чугунов и различных труднообрабатываемых материалов. При этом достигается шероховатость поверхности 7 - 10-го классов, точность обработки 6 - 7-го квалитета.

Эльбор-Р применяется для изготовления резцов, зенкеров, фрез, шлифовальных и полировальных кругов и другого инструмента.

В нашей стране получили наибольшее распространение марки синтетических алмазов: АСО, АСР, АСВ.

АСО — алмазные зерна обычной прочности. Используют для изготовления кругов на органической связке и применяют для чистовой заточки и доводки режущих инструментов.

АСР — алмазные зерна повышенной прочности. Используют для изготовления кругов на органической, металлической и керамической связках и применяют для снятия больших припусков и предварительной заточки инструмента.

АСВ — алмазные зерна особо высокой прочности. Используют для изготовления алмазных кругов на металлической связке, работающих в особо тяжелых условиях.

Алмазно-абразивный инструмент изготовляется на органи ческой, металлической, керамической, металло-гальванической, эластичной (резиновой) и других связках. Выбирают ее с учетом применяемой марки алмаза, обрабатываемого материала, вида и режима обработки.

Одной из важнейших характеристик алмазно-абразивного инструмента, определяющей его режущую способность, производительность и срок службы, является концентрация алмаза в инструменте. В нашей стране большее распространение получил инструмент с концентрацией алмаза 50, 100 и 150%. За 100%-ную концентрацию принимается содержание алмаза в алмазоносном слое, равное 25% его объема, что составляет 4,4 карата алмаза в 1 см³ (карат равен 0,2 г).

Из синтетических алмазов изготовляются резцы, шлифовальные круги, бруски, надфили, головки, шлифовальные шкурки и пасты.

Вспомогательные материалы. К вспомогательным материалам относятся смазочные, смазочно-охлаждающие жидкости, обтирочные материалы и др.

В качестве смазочных жидкостей применяют минеральные и синтетические масла. К охлаждающим жидкостям, которыми пользуются при обработке металлов резанием, относятся мыльная и содовая вода, масляные эмульсии и др.

Смазочными жидкостями обычно смазывают узлы машин и механизмов для уменьшения трения, а также для охлаждения в процессе работы режущими инструментами. При обработке резанием углеродистых и легированных сталей в качестве охлаждающих жидкостей используют эмульсии и реже растительные масла, а при нарезании резьбы - эмульсии, сульфофрезол и растительные масла.

Для удаления со станков мелкой стружки и масла, обтирания инструментов и обрабатываемых деталей применяются хлопчатобумажные концы и тряпки.

ЛЕКЦИЯ 8

План лекции

8.1. Взаимозаменяемость и стандартизация

8.1. Взаимозаменяемость и стандартизация

Взаимозаменяемость и стандартизация. Взаимозаменяемость как принцип конструирования и производства деталей предложен и реализован впервые в конце Х1Х в. в производстве винтовок. Ообеспечивает правильную сборку и замену при ремонте независимо изготовленных деталей и узлов без дополнительной их обработки с соблюдением требований качества и экономичности.

Взаимозаменяемость имеет народнохозяйственное значение, она позволяет повысить производительность сборки, удешевить производство изделий, обеспечить производство запасных частей и узкую специализацию производства, кооперирование производства и получить другие положительные эффекты.

Взаимозаменяемость деталей и узлов может быть полной и неполной (частичной). В последнем случае правильное соединение деталей и узлов обеспечивается лишь для части их, изготовленной с высокой (надлежащей) точностью. Другая часть деталей, изготовленная менее точно, собирается путем подбора, с использованием компенсаторов и различных технологических средств.

Для обеспечения взаимозаменяемости деталей, узлов и комплексов и упорядочения их производства в масштабах предприятия, отрасли, республики, страны, группы стран существуют стандарты: предприятия - СТП, отрасли - ОСТ, государственные-— ГОСТ, СЭВ - СТ СЭВ, международные - МС. Их соблюдение является обязательным на всех этапах производства, сбыта и эксплуатации изделий.

Размеры. Геометрические параметры деталей количественно оценивают размерами.

Размер - числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т. д.) в выбранных единицах измерения. Размеры, проставляемые на чертежах деталей или соединений, называют номинальными.

Их получают из расчетов (на прочность, жесткость и т. д.) или принимают из конструктивных соображений. Для типизации технологических процессов, ограничения количества инструментов, типоразмеров деталей принятые номинальные размеры округляют до значений по ГОСТ 6636—69 «Нормальные линейные размеры».

Стандартом предусмотрены четыре ряда размеров Р5, Р10, Р20 и Р40 (в порядке убывающей предпочтительности), каждый из которых представляет геометрическую прогрессию со знаменателем, соответственно равным  1.6,  1.25,  1.12, 1.06 .

При изготовлении деталей действительный размер, т. е. размер, установленный измерением с допустимой погрешностью, может совпадать с номинальным размером лишь случайно, так как технологические погрешности (неточности изготовления инструментов, оборудования и т. д.) систематического и случайного характера вызывают неизбежные погрешности обработки и рассеяние размеров деталей.

Установлено, что для обеспечения правильной сборки (геометрической взаимозаменяемости) и нормальной работы детали могут иметь некоторое рассеяние размеров относительно номинальных значений.

Максимальный и минимальный размеры, между которыми может находиться действительный размер детали, называют, предельными размерами

На рис. 8.1 схематически показаны совмещенные по образующей цилиндрические валы (а) и отверстия (б) с номинальными предельными диаметрами. Обозначим их через D_max и D_min — для отверстия и d_max и d_min — для вала.

Алгебраическую разность между измеренным размером (действительным, предельным и др.) и соответствующим номинальным значением называют отклонением.

Действительное отклонение — алгебраическая разность между действительным и номинальным размерами; предельное отклонение — алгебраическая разность между предельным и номинальным размерами.

Различают верхнее и нижнее отклонения:

для отверстия

ES = D_max- d; EI = D_min- d;

для вала

es = d_max - d; ei = d_min - d,

где d - номинальный диаметр.

Величины отклонений могут быть положительными и отрицательными. При схематическом изображении (рис. 8.1) они задаются относительно номинальных размеров, которые служат началом отсчета (положительные отклонения откладываются вверх, а отрицательные - вниз от нулевой линии). Для поверхностей сопряжения (соприкосновения) деталей номинальный размер может быть общим (например, для соосных сопряжений вала и ступицы). Экономически целесообразные отклонения размеров деталей определяются Единой системой допусков и посадок, установленной СТСЭВ 144—75.

Рис. 8.1. Предельные размеры отверстия и вала, определяющие поля допусков

Допуски. Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называют допуском, (рис. 8.1).

Допуск размера обозначают буквами IT, например допуск размера вала

IT=T_a = d_max — d_mm = es — ei,

а допуск размера отверстия

IT=T₀=D_max-D_min = ES-EI.

Поле допуска T_D - поле, ограниченное верхним и нижним отклонениями, - определяется числовым значением допуска и его положением относительно номинального размера.

При графическом изображении поле допуска заключено между двумя линиями, соответствующими верхнему и нижнему отклонениям относительно нулевой линии (рис. 8.1). Расположение поля допуска относительно нулевой линии принято обозначать буквой (или двумя буквами) латинского алфавита — прописной для отверстия и строчной для валов (например, Н5, F7, h8, jsS и т.д.).

При увеличении допуска на размер требования к точности снижаются и производство детали упрощается и удешевляется. При одном и том же допуске деталь большего размера изготовить сложнее, чем деталь меньшего размера. Поэтому размер допуска IT назначают от диаметра.

Величины верхнего и нижнего предельных отклонений указываются на чартежах тремя способами:

1) мелкими цифрами (мм) за номинальным размером; отклонения, равные нулю, не проставляются. Отклонения могут иметь одинаковые или разные знаки, например  , ,  .

2) условным обозначением поля допуска, состоящим из буквы и цифры, обозначающей квалитет, например 12G8, 20 hl0;

одновременным указанием поля допуска и цифровых значений отклонений.

Характер сопряжения — посадка двух соосных цилиндрических деталей (охватываемой — вала и охватывающей — отверстия) зависит от их действительных размеров. Если диаметр отверстия больше диаметра вала, то в соединении между ними будет зазор (положительная разность диаметров), обеспечивающий свободное осевое и окружное перемещения одной детали относительно другой. Если размер отверстия меньше размера вала (отрицательная разность размеров), то в соединении образуется натяг..

Все посадки разделяют на три группы: с зазором, с натягом и переходные.

Посадка с зазором (подвижная посадка) характеризуется наличием зазора в соединении.

При графическом изображении поле допуска отверстия расположено над по-

Все посадки разделяют на три группы: с зазором, с натягом и переходные.

Посадка с зазором (подвижная посадка) характеризуется наличием зазора в соединении.

При графическом изображении поле допуска отверстия расположено над полем допуска вала (рис. 8.2). К посадкам с зазором относятся также посадки, в которых нижняя граница поля допуска отверстия совпадает с верхней границей поля допуска вала. Эту посадку применяют в подвижных соединениях (подшипниках скольжения, а также соединениях, подвергаемых частой разборке и сборке). Наиболее часто употребляются посадки H9/f9, H7/f7, H7/g6, H8/h6 и др.

Посадка с натягом (неподвижная посадка) — посадка, в которой в сопряжении обеспечивается натяг (поле допуска отверстия расположено под полем допуска вала, см. рис. 8.2).

Их применяют для неподвижного соединения деталей без дополнительного крепления. Наиболее часто назначают посадки H7/р6, Н7/г6, Н8/е8 и др.

Переходные посадки - посадки, которые в зависимости от соотношения действительных размеров отверстия и вала могут быть как с зазором, так и с натягом.

Их применяют для центрирования сопрягаемых деталей путем неподвижного соединения с дополнительным креплением шпонками, винтами, штифтами. Наиболее часто употребляют посадки: H7/k6, H7/n6 и др.

Существуют две системы образования посадок: система отверстия и система вала.

В основе системы отверстия лежит независимость размера отверстия от вида посадки, т. е. предельные отклонения данного размера отверстия одинаковы для всех посадок. Различные посадки создаются путем изменения предельных отклонений размеров вала. Отверстие в этой системе называют основным, его поле допуска обозначают буквой Н. Нижнее отклонение размера основного отверстия равно нулю, и поле допуска располагается «в тело» охватывающей детали.

Посадки в системе отверстия обозначаются последовательным написанием номинального диаметра соединения и обозначений полей допусков сначала отверстия, а затем ала, например 40Н7/s6.

При образовании посадок в системе вала принимают, что размер вала не зависит от вида посадки, а различные посадки получают за счет изменения предельных отклонений отверстий. Поле допуска вала - основной детали в этой системе - обозначается буквой h. Обозначение посадок на чертежах выполняется в указанной выше последовательности, например 40Р7/п6 или 40Р7- h 6.

Система отверстия более распространена в машиностроении, так как при ее использовании сокращается ассортимент требуемых инструментов для обработки отверстий.

Посадки назначают из проведенного расчета или накопленного в промышленности опыта.

Точность геометрической формы деталей. Точность деталей по геометрическим параметрам характеризуется не только отклонениями размеров, но и отклонениями поверхностей. При этом отклонение поверхностей определяется отклонениями формы поверхностей, отклонениями расположения поверхностей, волнистостью и шероховатостью.

Стандартами установлены виды отклонений от формы (отклонения от прямолинейности, плоскостности, круглости и др.), расположения поверхностей и (или) частей деталей (отклонения от параллельности, перпендикулярности, наклона, соосности и т.п.), а также суммарные отклонения формы и расположения (радиальное и торцовое биения и др.).

Предельные отклонения формы и расположения поверхностей указываются на чертежах в виде знаков, символов (условных обозначений) и текстовых записей. (рис. 8.3). Для записи отклонений используют выносную прямоугольную рамку, разделенную на две или три части.

В первой (слева) части записывают знак отклонения, во второй — числовое значение, а в третьей — буквенное обозначение базы или другой поверхности. Базы обозначают прописной буквой или зачерненным треугольником. Направление линии измерения отклонений указывается отрезком линии со стрелкой.

Действительные поверхности деталей машин отличаются от номинальных (заданных в технической документации) наличием неровностей, образующихся при обработке поверхности и обусловленных колебанием инструмента и детали в процессе обработки, дефектами инструмента, особенностями кинематики обрабатывающего станка и др. Эти периодические неровности называют волнистостью и шероховатостью. К шероховатости относят неровности, у которых отношение шага к высоте неровностей менее 50, а к волнистости — от 50 до 1000.

По ГОСТ 2789 — 73 основными параметрами для оценки шероховатости являются высота Rz неровностей профиля по десяти точкам и среднее арифметическое отклонение профиля Ra на базовой длине (рис. 8.4).

Шероховатость поверхности оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей: снижает прочность, коррозионную стойкость, жесткость деталей, увеличивает интенсивность износа и др.

При назначении шероховатости поверхности учитывают требования к точности детали, хотя непосредственной связи между ними нет. Часто принимают, что величина Rz не должна превышать 0,1...0,2 допуска на размер. Кроме параметров, характеризующих высоту микронеровностей, на работоспособность деталей влияют и другие характеристики (средний шаг по вершинам и по средней линии профиля, относительная опорная длина и др.).

Номинальные числовые значения параметров шероховатости указывают на чертежах знаками, изображенными на рис. 8.5, а. Они не регламентируют вида обработки поверхности. Знаком, показанным на рис.8.5, б, обозначают поверхности, образуемые удалением слоя материала (точением, шлифованием и т.п.); на рис. 8.5, в — поверхности, не обрабатываемые после литья, штамповки и других видов предварительной обработки. Сведения относительно параметров шероховатости приводятся на чертежах также с помощью знака, показанного на рис. 8.5, г. При этом на месте рамки 1 записывают параметр (параметры) шероховатости по ГОСТ 2789—73 (для Ra без символа, рис. 8.5, д; для остальных параметров после соответствующего символа, рис. 8.5, е). На месте рамки 2 записывают (при необходимости) вид обработки поверхности и другие дополнительные указания, а на месте рамок 3 и 4 соответственно базовую длину по ГОСТ 2789 —73 (рис. 8.5, ж) и условное обозначение направления неровностей.

Более подробно вопросы взаимозаменяемости и технических измерений изучаются в специальных курсах.

ЛЕКЦИЯ 9

План лекции

9.1. Методика конструирования

9.2. Конструктивная преемственность

9.3. Методы активизации технического творчества

9.1. Методика конструирования

Исходными материалами для проектирования могут быть следующие:

техническое задание, выдаваемое планирующей организацией или заказчиком, и определяющие параметры машин, область и условия ее применения;

техническое предложение, выдвигаемое в инициативном порядке проектной организацией или группой конструкторов;

научно-исследовательская работа или созданный на ее основе экспериментальный образец;

изобретательское предложение или созданный на его основе экспериментальный образец;

образец зарубежной машины, подлежащий копированию или воспроизведению с изменениями.

Первый случай наиболее общий; на нем удобнее всего проследить процесс проектирования. К техническим заданиям необходимо подходить критически. Конструктор должен хорошо знать отрасль промышленности, для которой проектируют машину. Он обязан проверить задание и в нужных случаях обоснованно доказать необходимость его корректирования.

Критический подход особенно необходим в тех случаях, когда заказчиком являются отдельные заводы или отрасль промышленности. В последнем случае наряду с удовлетворением требований заказчика целесообразно обеспечить также возможность применения машины на других заводах и в смежных отраслях промышленности.

Не всегда учитывают то обстоятельство, что с момента начала проектирования до срока внедрения машины в промышленность проходит определенный период, как правило, тем более длительный, чем сложнее машина. Этот период складывается из следующих этапов: проектирования, изготовления, заводской отладки и доводки опытного образца, промышленных испытаний, внесения выявившихся в ходе испытаний изменений, государственных испытаний и приемки опытного образца. Далее следует изготовление технической документации головной серии, изготовление головной серии и ее промышленные испытания. Вслед за этим разрабатывают серийную документацию, подготовляют производство к серийному выпуску и, наконец, организуют серийный выпуск.

В лучшем случае при отсутствии крупных неполадок и осложнений этот процесс длится полтора-два года. Иногда между началом проектирования и началом широкого выпуска машин проходят два-три года и больше. При современных темпах технического прогресса в машиностроении это большой срок.

Машины с неправильно выбранными заниженными параметрами, основанные на шаблонных решениях, не обеспечивающие технического прогресса, несовместимые с новыми представлениями о роли качества и надежности, устаревают уже к началу серийного выпуска. Работа, затраченная на проектирование, изготовление и доводку образца, оказывается напрасной, а промышленность не получает нужной машины.

9.2. Конструктивная преемственность

Конструктивная преемственность - это использование при проектировании предшествующего опыта машиностроения данного профиля и смежных отраслей, введение в проектируемый агрегат всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин. Почти каждая современная машина представляет собой итог работы конструкторов нескольких поколений. Начальную модель машины постепенно совершенствуют, снабжают новыми узлами и агрегатами, обогащают новыми конструктивными решениями, являющимися плодом творческих усилий и изобретательности последующих поколений конструкторов. Некоторые конструктивные решения с появлением более рациональных решений, новых технологических приемов, с повышением эксплуатационных требований отмирают, другие оказываются исключительно живучими и сохраняются длительное время в таком или почти таком виде, какой им придали создатели. С течением времени повышаются технико-экономические показатели машин, возрастают их мощность и производительность, увеличивается степень автоматизации, эксплуатационная надежность, появляются новые машины одинакового назначения, но принципиально иных конструктивных схем. В соревновании побеждают наиболее прогрессивные и конкурентоспособные конструкции.

Изучая историю развития любой отрасли машиностроения, можно обнаружить огромное многообразие перепробованных схем и конструктивных решений. Многие из них, исчезнувшие и основательно забытые, возрождаются через десятки лет на новой технической основе и снова получают путевку в жизнь. Изучение истории позволяет избежать ошибок и повторения пройденных этапов и вместе с тем наметить перспективы развития машин.

Полезно составлять графики, отображающие изменение по годам главных параметров машин (мощность, производительность, масса и т. д.).

Тенденции конструктивного оформления очень выразительно характеризуют графики, показывающие в процентах частоту встречаемости по годам различных конструктивных решений. Анализ таких графиков и их экстраполяция позволяют составить довольно четкое представление о том, каковы будут параметры машин и их конструкция через несколько лет.

Особенно важно изучение исходных материалов при разработке новой конструкции. Основная задача заключается в правильном выборе параметров машины. Частные конструктивные ошибки исправимы в процессе изготовления и доводки машины. Ошибки же в параметрах и в основном замысле машины не поддаются исправлению и нередко ведут к провалу конструкции. На этом этапе не следует щадить ни времени, ни усилий на изыскания. Здесь более чем где-либо действительно правило: «Семь раз отмерь, один раз отрежь».

Выбору параметров должно предшествовать полное исследование всех факторов, определяющих конкурентоспособность машины. Необходимо изучить опыт выполненных зарубежных и отечественных машин, провести сравнительный анализ их достоинств и недостатков, выбрать правильный аналог и прототип, выяснить тенденции развития и потребности данной отрасли машиностроения.

Важным условием правильного проектирования является наличие фонда справочного конструктивного материала. Помимо архивов собственной продукции конструкторские организации должны иметь альбомы конструкций смежных организаций. Обязательно систематическое углубленное изучение отечественной и зарубежной периодической литературы и патентов.

Публикации в зарубежной литературе часто бывают завуалированными, по присущему капиталистическому хозяйству стремлению охранять фирменные секреты. Конструктор должен уметь читать между строк. Иногда короткое сообщение содержит многозначительные намеки на готовящиеся крупные нововведения в данной отрасли машиностроения.

Конструктор должен быть в курсе поисковых и перспективных работ, проводимых научно-исследовательскими институтами в данной отрасли машиностроения.

Наряду с изучением опыта той отрасли машиностроения, в которой работает данная конструкторская организация, следует использовать опыт других смежных и даже отдаленных по профилю отраслей машиностроения. Это расширяет кругозор конструктора и обогащает арсенал его конструкторских средств. Особенно полезно изучать опыт передовых отраслей машиностроения, где конструкторская и технологическая мысль, побуждаемая высокими требованиями к качеству продукции (авиация) и массовости изготовления (автотракторостроение), непрерывно создает новые конструктивные формы, способы повышения прочности, надежности, долговечности и приемы производительного изготовления.

Использование накопленного опыта позволяет решить частные задачи, возникающие при проектировании. Иногда конструктор пытается создать какой-либо специализированный узел или агрегат, новый для конструкции данной машины, тогда как подобные узлы давно разработаны в других отраслях машиностроения и апробированы длительной эксплуатацией.

Все сказанное выше можно резюмировать образной формулой: при создании навой машины конструктор должен смотреть вперед, оглядываться назад и озираться по сторонам.

Направление конструктивной преемственности не означает ограничения творческой инициативы. Проектирование каждой машины представляет огромное поле деятельности для конструктора. Только не следует изобретать уже изобретенное и не забывать правило, сформулированное еще в начале XX века Гюльднером: «Weniger erfinden, mehr konstruiren» (меньше изобретать, больше конструировать).

Процесс постоянного совершенствования машин под влиянием возрастающих требований промышленности находит отражение в выработке школы конструирования и склада конструкторского мышления. Стремление к совершенствованию конструкции входит в плоть и кровь конструктора и становится его потребностью. Истинный конструктор заряжен волей к преодолению трудностей. Он получает полное удовлетворение только в том случае, если находит, иногда после настойчивых исканий, срывов и ошибок, наиболее совершенное решение, способствующее прогрессу машиностроения.

Конструктор должен постоянно работать над собой, непрерывно обогащать и пополнять запас конструктивных решений. Опытный конструктор всегда подметит и мысленно «сфотографирует» интересные конструктивные решения даже на чуждых по профилю машинах, на любой попадающей в поле его зрения машине.

Конструктор должен хорошо знать новейшие технологические процессы, в том числе физические, электрофизические и электрохимические способы обработки (электроискровую, электронно-лучевую, лазерную, ультразвуковую, размерное электрохимическое травление, обработку взрывом, электрогидравлическим ударом, электромагнитным импульсом и т. д.). Иначе он будет стеснен в выборе рациональных форм деталей и не сможет заложить в конструкцию условия производительного изготовления.

Развитие машиностроения неразрывно связано с развитием машинопотребляющих отраслей хозяйства. В промышленности происходит процесс непрерывного совершенствования: растет объем продукции, сокращается производственный цикл, появляются новые технологические процессы, меняются компоновка линий, состав и расстановка оборудования, непрерывно повышается уровень механизации и автоматизации производства. Соответственно возрастают требования к показателям машин, их производительности, степени автоматизации. Некоторые машины с появлением новых технологических процессов становятся ненужными. Возникает необходимость создания новых машин или коренного изменения старых.

Иногда эти перемены бывают очень крупными и затрагивают многие классы машин. Так, введение прогрессивного процесса непрерывной разливки стали означает отмирание или, во всяком случае, сокращение применяемости таких сложных и металлоемких машин, как блюминги и слябинги (бесслитковый прокат). Развитие конверторного производства стали с кислородным дутьем вызовет снижение применяемости мартеновских печей, если только последние, в свою очередь, не подвергнутся коренным усовершенствованиям. Появление магнитогазодинамических генераторов, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, приведет к исчезновению электрогенераторов и значительному сокращению использования тепловых двигателей.

Проектированию машин, предназначенных для определенной отрасли промышленности, должно предшествовать тщательное изучение этой отрасли, динамики ее количественного и качественного развития, потребностей в данной категории машин и вероятности появления новых технологических процессов и методов производства.

Конструктор должен хорошо знать специфику этой отрасли и условия эксплуатации машин. Лучшие конструкторы, по наблюдениям, это те, которые прошли школу производства и сочетают конструкторские способности со знанием условий эксплуатации объектов проектирования.

При выборе параметров машины необходимо учитывать конкретные условия ее применения. Нельзя, например, произвольно увеличивать производительность машины, не учитывая производительности смежного оборудования. В некоторых случаях машины с повышенной производительностью могут оказаться в эксплуатации недогруженными и будут больше простаивать, чем работать. Это снижает степень их использования и уменьшает экономический эффект.

При выборе параметров машины, основной схемы и типа конструкции в центре внимания должны быть факторы, определяющие экономическую эффективность машины: высокая полезная отдача, малые энергопотребление и расходы на обслуживание, низкая стоимость эксплуатации и длительный срок применения. Схему машины обычно выбирают путем параллельного анализа нескольких вариантов, которые подвергают тщательной сравнительной оценке со стороны конструктивной целесообразности, совершенства кинематической и силовой схем, стоимости изготовления, энергоемкости, расхода на рабочую силу, надежности действия, габаритов, металлоемкости и массы, технологичности, степени агрегатности, удобства обслуживания, сборки-разборки, осмотра, наладки, регулирования.

Следует выяснить, в какой мере схема обеспечивает возможность последующего развития, форсирования и совершенствования машины, образования на базе исходной модели производных машин и модификаций.

Не всегда удается даже при самых тщательных поисках найти решение, полностью отвечающее поставленным требованиям. Безупречный во всех отношениях вариант в конструкторской практике - редкая удача. Дело порой не в недостатке изобретательности, а в противоречивости выдвигаемых требований. В таких случаях приходится идти на компромиссное решение и поступаться некоторыми из них, не имеющими первостепенного значения в данных условиях применения машины. Нередко надо выбирать вариант, не столько имеющий наибольшие достоинства, сколько обладающий наименьшими недостатками.

После выбора схемы и основных показателей агрегата разрабатывают компоновку, на основе которой составляют эскизный, технический и рабочий проекты.

Разработка вариантов - дело не индивидуальной привычки или наклонностей конструктора, а закономерный метод проектирования, помогающий отыскать наиболее рациональное решение. В качестве примера разработки и сравнительного анализа вариантов приведем часто встречающийся в машиностроении узел редуцирующей конической зубчатой передачи (табл. 6.1).

Для упрощения не рассмотрены возможные конструктивные варианты подвода и отбора крутящего момента, типа опор, способов фиксации осевого положения зубчатых колес. Даны только варианты общей компоновки передачи, конструкции корпуса, расстановки опор, систем сборки и проверки зацепления. Окончательный выбор варианта редуктора зависит от условий его применения и установки. Наибольшими достоинствами для общих условий из рассмотренных применения обладает конструкция 1.

Метод инверсии. Среди приемов, облегчающих сложную работу конструирования, видное место занимает метод инверсии (обращение функций, форм и расположения деталей).

В узлах иногда бывает выгодным поменять детали ролями, например, ведущую деталь сделать ведомой, направляющую – направляемой, охватывающую – охватываемой, неподвижную - подвижной. Целесообразно иногда инвертировать формы деталей, например, наружный конус заменить внутренним, выпуклую сферическую поверхность – вогнутой. В других случаях оказывается выгодным переместить конструктивные элементы с одной детали на другую, например, шпонку с вала на ступицу или боек с рычага на толкатель.

Каждый раз конструкция при этом приобретает новые свойства. Дело конструктора – взвесить преимущества и недостатки исходного и инвертированного вариантов с учетом надежности, технологичности, удобства эксплуатации и выбрать наилучший из них. У опытною конструктора метод инвертирования является неотъемлемым инструментом мышления и значительно облегчает процесс поисков решений, в результате которых рождается рациональная конструкция.

Компонование обычно состоит из двух этапов: эскизного и рабочего. В эскизной компоновке разрабатывают основную схему и общую конструкцию агрегата (иногда несколько вариантов). На основании анализа эскизной компоновки составляют рабочую компоновку, уточняющую конструкцию агрегата и служащую исходным материалом для дальнейшего проектирования.

При компоновании важно уметь выделить главное из второстепенного и установить правильную последовательность разработки конструкции. Попытка скомпоновать одновременно все элементы конструкции является ошибкой, которая свойственна начинающим конструкторам. Получив задание, определяющее целевое назначение и параметры проектируемого агрегата, конструктор нередко начинает сразу вырисовывать конструкцию в целом во всех ее подробностях, с полным изображением конструктивных элементов, придавая компоновке такой вид, который должен иметь лишь сборочный чертеж конструкции в техническом или рабочем проекте. Конструировать так – значит почти наверняка обрекать конструкцию на нерациональность. Получается механическое нанизывание конструктивных элементов и узлов, расположенных заведомо нецелесообразно.

Компоновку следует начинать с решения главных вопросов – выбора рациональных кинематической и силовой схем, правильных размеров и формы деталей, определения наиболее целесообразного взаимного их расположения. При компоновании надо идти от общего к частном у, а не наоборот. Выяснение подробностей конструкции на данном этапе не только бесполезно, но и вредно, так как отвлекает внимание конструктора от основных задач компонования и сбивает логический ход разработки конструкции.

Другое основное правило компонования – разработка вариантов, углубленный их анализ и выбор наиболее рационального. Конструктор не должен сразу задаваться направлением конструирования, выбирая или первый пришедший в голову тип конструкции или принимая за образец шаблонную конструкцию. На данном этапе проектирования нельзя поддаваться психологической инерции и оказываться во власти стереотипов. Вначале необходимо проработать все возможные решения и выбрать из них оптимальное для данных условий. Это трудоемкая процедура. Для ее выполнения следует предусматривать время.

Полная разработка вариантов необязательна. Обычно достаточно общих представлений или карандашных набросков от руки, чтобы получить представление о перспективности варианта и решить вопрос о целесообразности продолжения работы над ним.

Иногда конструктор даже не может объяснить, почему он избирает одно направление конструирования и отвергает другое, ограничиваясь лаконичным “не нравится”. У одного конструктора за этой, на первый взгляд вкусовой мотивировкой, на самом деле скрывается безошибочное предвидение конструктивных, технологических, эксплуатационных и других осложнений, которые несет с собой отвергаемое направление.

В процессе компонования необходимо производить расчеты, хотя бы ориентировочные и приближенные. Основные детали конструкции должны быть рассчитаны на прочность и жесткость. Доверяться интуиции при выборе размеров и форм деталей нельзя. Правда, есть опытные конструкторы, которые почти безошибочно устанавливают размеры и сечения. обеспечивающие принятый в данной отрасли машиностроения уровень напряжений. Но это достоинство сомнительное. Копируя шаблонные формы и придерживаясь традиционного уровня напряжений, нельзя создать прогрессивные конструкции.

Неправильно всецело полагаться и на расчет. Во-первых, существующие методы расчета на прочность не учитывают ряда факторов, определяющих работоспособность конструкции. Во-вторых, есть детали, не поддающиеся расчету (например, сложные корпусные детали). В-третьих, необходимые размеры деталей зависят не только от прочности, но и от других факторов. Конструкция литых деталей определяется в первую очередь требованиями литейной технологии. Для механически обрабатываемых деталей следует учитывать сопротивляемость силам резания и придавать им необходимую жесткость. Термически обрабатываемые детали должны быть достаточно массивными во избежание коробления. Размеры деталей управления нужно выбирать с учетом удобства манипулирования.

Появившиеся в последнее время численные методы расчета, в том числе метод конечных элементов (МКЭ), позволяют выполнить расчеты на прочность и жесткость деталей практически любой формы.

Необходимое условие правильного конструирования – постоянно иметь в виду вопросы изготовления и с самого начала придавать деталям технологически целесообразные формы. Опытный конструктор, компонуя деталь, сразу делает ее технологичной; начинающий должен постоянно обращаться к консультации технологов.

Компоновку необходимо вести на основе нормальных размеров (диаметры посадочных поверхностей, размеры шпоночных и шлицевых соединений, диаметры резьб и т. д.). Особенно это важно при компоновании узлов с несколькими концентричными посадочными поверхностями, а также ступенчатых деталей, форма которых в значительной степени зависит от градации диаметров.

Одновременно следует добиваться максимальной унификации нормальных элементов. Элементы, неизбежные по конструкции главных деталей и узлов, рекомендуется использовать в остальных частях конструкции.

При компоновании должны быть учтены все условия, определяющие работоспособность агрегата, разработаны системы смазки, охлаждения, сборки-разборки, крепления- агрегата и присоединения к нему смежных деталей (приводных валов, коммуникаций, электропроводки); предусмотрены условия удобного обслуживания, осмотра и регулирования механизмов; выбраны материалы для основных деталей; продуманы способы повышения долговечности, увеличения износостойкости трущихся соединений, способы защиты от коррозии; исследованы возможности форсирования агрегата и определены его границы.

Не всегда компонование идет гладко. В процессе проектирования часто обнаруживают незамеченные в первоначальных прикидках недостатки, для устранения которых приходится возвращаться к ранее забракованным схемам или разрабатывать новые. Отдельные узлы не всегда получаются с первых попыток. Это не должно смущать конструктора. Приходится создавать "временные" конструкции и доводить их до необходимого конструктивного уровня в процессе дальнейшей работы. В таких случаях полезно по итальянской поговорке “dare al tempo il tempo” (“дать время времени”), т. е. сделать передышку, после которой в результате подсознательной работы мышления нередко возникают удачные решения, выводящие конструктора из тупика. После паузы конструктор смотрит на чертеж по-иному и видит недостатки, которые были допущены в период развития основной идеи конструкции.

Порой конструктор невольно утрачивает объективность, перестает видеть недостатки понравившегося ему варианта и возможности других вариантов. В таких случаях как нельзя более к месту оказывается беспристрастное мнение посторонних людей, указание старших, совет товарищей по работе, даже придирчивая критика. Более того, чем острее критика, тем большую пользу извлекает из нее конструктор.

На всех стадиях компонования следует прибегать к конструкции производственников и эксплуатационников. Чем шире поставлено обсуждение компоновки и чем внимательнее конструктор прислушивается к полезным указаниям, тем лучше становится компоновка и совершеннее получается конструкция.

Не следует жалеть времени и сил на проработку проекта. Стоимость проектных работ составляет незначительную долю стоимости выпуска машин (за исключением машин единичного и мелкосерийного производства). Более глубокая проработка конструкции в конечном счете дает выигрыш в стоимости, сроках изготовления и доводки, качестве и экономической эффективности машины.

Техника компонования. Компонование лучше всего вести в масштабе 1:1, если это допускают габаритные размеры проектируемого объекта. При этом легче выбрать нужные размеры и сечения деталей, составить представление о соразмерности частей конструкции, прочности и жесткости деталей и конструкции в целом. Вместе с тем такой масштаб избавляет от необходимости нанесения большого числа размеров и облегчает последующие процессы проектирования в частности, деталировку. Размеры деталей в этом случае можно брать непосредственно с чертежа.

Вычерчивание в уменьшенном масштабе, особенно при сокращениях, превышающих 1: 2, сильно затрудняет процесс компонования, искажая пропорции и лишая чертеж наглядности. Если размеры объекта не позволяют применить масштаб 1:1, то отдельные сборочные единицы и агрегаты объекта следует во всяком случае компоновать в натуральную величину.

Компоновку простейших объектов можно разрабатывать в одной проекции, в которой конструкция выясняется наиболее полно. Формы конструкции в поперечном направлении восполняются пространственным воображением.

При компоновке более сложных объектов указанный способ может вызвать существенные ошибки; в таких случаях обязательна разработка во всех необходимых видах, разрезах и сечениях.

Техника выполнения компоновочных чертежей представляет собой процесс непрерывных поисков, проб, прикидок, разработки вариантов, их сопоставления и отбраковки негодных. Чертить следует со слабым нажимом карандаша, потому что при компоновании переделки следуют одна за другой, здесь работает больше резинка, чем карандаш. Сечения можно не штриховать, а если и штриховать, то только от руки. Не следует тратить время, на вырисовывание подробностей. Типовые детали и узлы (крепежные детали, уплотнения, пружины, подшипники качения) целесообразно изображать упрощенно (рис. 13).

Обводку чертежа, штриховку, раскрытие условностей изображения и подрисовывание мелких деталей относят на окончательные стадии компонования, при подготовке компоновочного чертежа к обсуждению.

Существует школа компонования от руки. Конструкцию вырисовывают карандашом на миллиметровой бумаге. Автор неизменно придерживается этого способа и считает, что такое компонование имеет большие преимущества по производительности, гибкости, легкости внесения поправок. Оно почти полностью исключает возможности ошибок в увязочных размерах и обеспечивает легкое чтение всех размеров деталей. При этом способе особенно хорошо удается придавать деталям плавные очертания, характерные для современного конструирования.

Для конструктора, обладающего рисовальными способностями, это наилучший способ компонования. Есть конструкторы, из-под рук которых в течение нескольких часов выходят выполненные этим методом вполне законченные и отработанные компоновки, которые можно передавать на деталировку.

9.2. Методы активизации технического творчества

Качество конструкции создаваемой машины определяется квалификацией, технической инициативой и творческими способностями конструктора, степенью использования отечественного и зарубежного опыта проектирования, производства, эксплуатации и исследования машин аналогичного назначения.

Особенно важно творчески выполнить первые этапы проектирования - разработать технологический процесс, схему и компоновку машины, предложить оригинальные и эффективные технические решения.

Для облегчения поиска новых технических решений используют различные эвристические приемы, организующие и активизирующие знания конструктора и его практический опыт. Широко применяют такие приемы, как аналогия, инверсия, компенсация и др.

Аналогия некоторых особенностей поставленной задачи с известными решениями других задач часто способствует появлению новых идей. Поэтому при проектировании полезно изучать не только информацию, относящуюся к теме проекта, но и приемы решения аналогичных задач в других отраслях техники.

Инверсия - прием обращения функций, форм и расположения деталей. Например, в узле поменять детали ролями - ведущую сделать ведомой, направляющую - направляемой. В каждом таком изменении конструкция приобретает новые свойства и конструктор должен выбрать наиболее удачный вариант.

Компенсация недопустимого процесса - один из наиболее широко применяемых приемов устранения противоречий в технических задачах. Например, отклонения размеров обрабатываемых деталей вследствие износа режущего инструмента можно устранить автоматической подналадкой его положения.

Успешному решению творческих задач могут способствовать некоторые методы, разработанные для этой цели. К ним относится, например, так называемый метод «Мозгового штурма», предложенный А. Осборном в 40-х гг. в США. По этому методу конкретную техническую задачу решает группа из 6... 10 специалистов, которую делят на две части: «Генерирования идей» и «Оценки идей». В первую подгруппу привлекают широко эрудированных, склонных к фантазии специалистов, во вторую - специалистов с критическим складом ума. Благодаря тому, что группа людей всегда обладает большим суммарным знанием и большим воображением, чем любой из ее членов, этот метод, как показал опыт его применения, выявил свою эффективность только при решении сравнительно несложных задач.

При «морфологическом анализе», предложенном швейцарским ученым Фр. Цвикки, строят многомерные таблицы основных характеристик рассматриваемого технического объекта. Эти таблицыпозволяют получить очень большое число возможных сочетаний характеристик объекта, включая и варианты, которые без такого подхода вряд ли были бы рассмотрены. Из этих вариантов может быть выбран искомый оптимальный.

В нашей стране Г. С. Альтшуллер на основании анализа большого количества авторских свидетельств и патентов на изобретения разработал «Теорию решения изобретательских задач», в которой предложены приемы, позволяющие выявлять и устранять физические противоречия, содержащиеся в изобретательских задачах, средства активизации воображения и преодоления психологической инерции. В последние годы разрабатываются также эвристические методы поиска новых технических решений с помощью ЭВМ.

Следует отметить, что с помощью ЭВМ на основании однажды принятых исходных данных нельзя получить качественно новые высокоэффективные технические решения, так как эти формализованные исходные данные не учитывают некоторые важные, иногда решающие, критерии для оценки конструкции, имеющие лишь качественный характер, которые трудно формализовать (например, соображения унификации, возможность получения комплектующих частей и др.). Кроме того, использование в расчетах данных о прототипах (с учетом прогноза развития их конструкции) позволяет лишь создать конструкцию, подобную уже существующей.

Очевидно, применение ЭВМ только тогда эффективно, когда принятые при составлении программ математические модели процессов работы проектируемых систем с достаточной точностью соответствуют процессам работы реальных систем.

Целесообразен поиск новых технических решений с помощью ЭВМ в режиме диалога «человек - ЭВМ», при котором объединяются возможности ЭВМ быстро и точно выполнять математические операции с творческими способностями человека, его интуицией, способностью использования аналогий, ассоциаций, предвидения. После каждого этапа работы ЭВМ в автоматическом режиме конструктор анализирует полученные результаты, сопоставляет их с имеющимися экспериментальными данными, варьирует параметры системы и, в случае необходимости, корректирует саму программу — уточняет принятую расчетную схему.

Наилучшее решение, обеспечивающее наибольшую эффективность работы всей машины, может быть найдено только сравнением различных вариантов выполнения механизма и найденных для каждого из них оптимальных параметров и законов движения.

Важными условиями успешного решения сложных технических задач являются качества разработчика: 1) творческие способности, трудолюбие и настойчивость; 2) объективный подход к разрабатываемым задачам, умение не оставаться в плену предубеждений и отбрасывать выдвинутую ранее идею, если факты противоречат ей или если предложения коллег по работе дают лучшие результаты; 3) готовность преодолевать трудности ради достижения высокой эффективности результатов технической разработки.

Эффективным методом решения сложных научно-технических проблем является параллельная работа над аналогичными проблемами различных коллективов. Это дает разносторонний подход к их решению и создает условия творческого соревнования коллективов.

ЛЕКЦИЯ 10

План лекции:

10.1. Эргономика и технологичность конструкции оборудования

10.2. Эстетическое оформление технологического оборудования

10.1. Эргономика и технологичность конструкций оборудования

Эргономические требования к оборудованию определяются физиологическими, антропометрическими, биомеханическими и психологическими характеристиками человека и установлены для оптимизации его деятельности в системе "человек – машина".

Учёт эргономических требований при проектировании и конструировании изделий обеспечивает повышение эффективности и качества труда, удобства эксплуатации и обслуживания, улучшение условий труда, экономию затрат физической и нервнопсихической энергии работающего максимально возможным приспособлением изделий к его функциональным возможностям. При этом достигается значительный социально-экономический эффект, выражающийся в повышении привлекательности и содержательности труда, сохранении здоровья и поддержании высокой работоспособности человека, сокращении непроизводительных и потерь рабочего времени, уменьшении затрат на предоставление льгот и компенсаций за работу в неблагоприятных условиях.

В инженерной практике известны далеко не единичные случаи, когда использование новых производительных машин и устройств не давало должного эффекта из-за несоответствия их конструкции функциональным особенностям человека. Следовательно, эффективность машины определяется не только такими её характеристиками, как КПД, производительность, трудоёмкость изготовления, надёжность и др., но и тем, насколько легко и точно оператор сможет управлять машиной.

Современная техника требует от рабочего не столько значительных усилий, сколько точности реакций, продуманности действий, быстрых решений и, следовательно, значительного нервного напряжения. В связи с этим рациональную конструкцию изделия нельзя создать, не зная эргономики, изучающей функциональные возможности человека в трудовых процессах с целью создания для него таких условий труда, которые обеспечивали бы не только высокопроизводительный и безопасный труд, но и необходимые удобства в работе, т. Е. Сохранение его сил, здоровья, работоспособности.

Эргономические показатели качества изделий определяет ГОСТ 16035 - 81:

антропометрические требования устанавливают соответствие изделия антропометрическим параметрам человека; последние определяют размерное построение и форму тела человека (оператора);

физиологические требования определяют соответствие изделия физиологическим свойствам человека (например, биомеханическим, силовым, скоростным);

психофизиологические требования устанавливают соответствие изделия особенностям функционирования органов чувств (рецепторов) человека-оператора;

психологические требования определяют соответствие изделия психологическим особенностям человека (особенности восприятия, памяти и др.);

гигиенические нормативы направлены на создание безопасных условий труда и предупреждение профессиональных заболевай, ориентированы на ограничение вредного воздействия факторов производственной среды.

Эргономический подход к гигиеническому нормированию должен предусматривать создание оптимальных условий для трудовой деятельности учетом комплексного воздействия факторов производственной среды (пыль, газ, вибрации, шум, температура, ионизирующие излучения, освещенность и др.); гигиеническое нормирование должно быть ориентировано не только на ПДК (ПДУ), но и на создание оптимальных условий производственной среды.

ПДК (ПДУ) — это предельно допустимые концентрации (уровни) вредных факторов рабочей зоны, которые при ежедневной работе в течение 8 ч, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не вызывают у работающих заболеваний или, отклонений в здоровье, обнаруживаемых о процессе работы или в отдельные сроки жизни настоящего и будущих поколений. Необходимо учитывать, что дозы и уровни вредных факторов, значительно меньшие допускаемых, в ряде случаев при их комбинированном действии становятся опасными для здоровья работающих. Гигиенические требования органически связаны с другими эргономическими требованиями и их оптимальными показателями являются необходимые условия эффективности эргономических рекомендаций, используемых при конструировании изделий и организации рабочих мест.

Проектирование совершенных систем "человек – машина" и "человек-машина-среда" невозможно без учета всех связей изделия с человеком и средой. Уже на начальных стадиях проектирования тщательно рассматривают не только конструкторские особенности будущей системы, но и конкретные действия человека в этой системе. Такой анализ постоянно напоминает конструктору о функциях изделия, а эргономисту позволяет уточнить ряд положений эргономического характера. Эргономист помогает выбрать из ряда конструкторских решений оптимальный в эргономическом отношении вариант. Модели и макеты такого варианта не только служат для проверки композиционных решений, но и позволяют экспериментально проверить соответствие новой конструкции требованиям эргономики.

Таким образом, эргономика теснейшим образом взаимосвязана с художественным конструированием, так как критериями её анализа являются: оптимальное приспособление конструкции к психофизиологическим особенностям человека; возможность с помощью конструктивных решений воздействовать на раскрытие человеческих способностей и их стимулирование для оптимизации деятельности человека; возможность создания условий для возникновения положительных эмоций и оптимального жизненного тонуса у оператора в процессе взаимодействия человека и техники.

Распределение функций между человеком и машиной, т. е. определение операций, которые должны выполнять человек или машина для обеспечения требуемой эффективности системы человек - машина, является важной задачей сравнительного анализа возможностей человека и машины.

Машине целесообразно передать функции, требующие: приложения большой физической силы малосодержательного и монотонного характера; большой трудоёмкости; быстрой реакции на сигналы; высокой степени плавности и точности приложения усилий; приёма, переработки и хранения больших объёмов информации; принятия однотипных постоянно повторяющихся решений.

За человеком следует оставлять функции, требующие: решения задач планирования, программирования и контроля трудового процесса; принятия решений в непредвиденных ситуациях; более высокой, чем машина, чувствительности к различным сигналам; многообразия ответных реакций; приспособления к изменяющимся условиям.

Реализацию эргономических требований при проектировании и конструировании изделий обеспечивают соблюдением соответствующих стандартов на системы человек - машина и системы безопасности труда (СБТ), санитарных норм и правил, стандартов на термины и номенклатуру эргономических показателей качества и других нормативных материалов.

При создании нового изделия эргономическая проработка необходима на всех стадиях разработки конструкторской документации и технического задания.

На стадии разработки технического задания:

определяют назначения изделия, выполняют анализ аналогов и прототипов по их эргономическим характеристикам;

проводят эргономический анализ трудовой деятельности человека и ориентировочное распределение функций в реальной системе человек - машина;

разрабатывают ориентировочные эргономические требования на основе нормативных документов, справочных эргономических материалов.

На стадии разработки технического проекта:

окончательно распределяют функции в системе человек - машина;

определяют окончательные эргономические требования и их реализацию в проекте;

оценивают степень реализации эргономических требований аналитическими методами и методами моделирования.

На стадии разработки рабочих чертежей и испытаний:

выполняют анализ и дают эргономическую характеристику (оценку) созданного изделия для определения степени его соответствия эргономическим требованиям;

составляют предложения по совершенствованию (доводке) изделия и соответствующей корректировке технической документации.

Требования антропометрии и биомеханики. При конструировании изделия необходимо предусматривать его соответствие антропометрическим данным и биомеханическим характеристикам человека на основе учёта: габаритных размеров и размеров отдельных частей тела человека в рабочих позах и положениях; динамики изменений размеров тела при перемещении его в пространстве (динамические размеры); диапазона движений в суставах.

Используя антропометрические данные, при конструировании изделий следует определить контингент людей, для которых будет предназначено изделие; выбрать антропометрический признак (группу признаков), который является основным для определения размеров изделия, с учётом соответствующей поправки на вид одежды и обуви.

Рабочие зоны и закономерности рабочих движений. Все элементы рабочего места (размеры сиденья, рабочей поверхности, подставки для ног, органов управления и др.), которые непосредственно соприкасаются с телом человека, должны по возможности точно соответствовать его антропометрическим данным. Допускается округление размеров до 1 см. При расчёте минимальных пространств, занимаемых телом человека в разных положениях и позах, допускается округление на 2 - 3 см. Рабочее место оператора, взаимное расположение элементов рабочего места регламентированы ГОСТ 21958 - 76, ГОСТ 22269 - 76.

10.2. Эстетическое оформление технологического оборудования

Технологичность и художественное конструирование. В практике художественного конструирования во многих случаях требования технической эстетики связаны с некоторыми правилами создания технологических конструкций изделий, например:

требованием технологичности являются уменьшение длины кинематической цепи изделия, так как механизм с короткой кинематической цепью, как правило, менее трудоёмок в изготовлении; вместе с тем уменьшение длины кинематической цепи, замена механических устройств электрическими, рычажного управления - кнопочным и др. облегчают задачу конструктора при нахождении рациональной эстетической формы конструкции;

работая над эстетическим видом изделия, очень важно правильно подобрать пропорции основных сборочных единиц и всей конструкции, что удовлетворяет требованиям эстетики и улучшает технологичность конструкции; большое значение для улучшения эстетического вида изделия в целом имеет внешний вид таких деталей, как рукоятки и маховички управления, пусковые кнопки, сигнальные лампочки, фирменные таблички и др.: формы этих деталей должны соответствовать всей конструкции изделия и быть технологичными в изготовлении;

особое внимание должно быть уделено таким декоративным деталям, как кожухи и крышки, умелое использование которых позволяет решить сложные вопросы увязки эстетики изделий с их технологичностью.

Опыт показывает, что совместная работа технологов и конструкторов - разработчиков изделий с художниками конструкторских бюро способствует повышению технологичности изделий, улучшению их внешнего вида с учётом требований технической эстетики.

Техническая эстетика при конструировании и эксплуатации изделий. Для того, чтобы придать машиностроительному изделию красивый внешний вид, необходимо правильно использовать принципы художественного творчества с учётом требований технической эстетики.

Требования технической эстетики представляют собой комплекс социально – экономических, функционально – конструктивных, эргономических и эстетических требований, выполнение которых должно обеспечить создание общественно целесообразных, технически совершенных, экономичных, удобных в эксплуатации и эстетически выразительных изделий.

Требования технической эстетики реализуются методами художественного конструирования, которое направлено на достижение: единства эстетического и функционально – технического уровня изделия; композиционного единства и гармоничности форм; декоративности и гармоничности цветофактурного решения поверхностей с учётом особенностей тактильного восприятия; высокого качества отработки наружных элементов изделия.

Кроме общих требований технической эстетики к определённым видам изделий должны быть предъявлены конкретные требования в соответствии с особенностями формы, условий эксплуатации и обслуживания, а также условий среды (производственное помещение, открытая площадка и др.). К изделиям, имеющим посты оператора, следует предъявлять дополнительные требования, характеризующие композиционные решения.

Требования технической эстетики учитывают при разработке технического задания на изделие; техническое задание устанавливает также состав художественно – конструкторского проекта.

К оцениваемым эстетическим показателям относятся: современность художественно – конструкторского решения изделия; функционально – конструктивная выразительность формы; гармоническая целостность композиционной структуры; совершенство производственного исполнения элементов внешней формы.

Показатель современности художественно – конструкторского решения изделия характеризует:

степень и специфические особенности проявления основных принципов художественно – конструкторского решения изделия;

степень соответствия художественно – конструкторского решения изделия современному уровню техники;

степень применения в художественно – конструкторском решении изделия прогрессивных конструкций и материалов;

степень соответствия стилевого решения изделия прогрессивным тенденциям формообразования;

степень оригинальности и новизны художественно – конструкторского решения;

степень согласованности формы изделия с современным подходом к решению функционально – предметной среды.

Показатель функционально – конструктивной выразительности формы характеризует:

функциональную целесообразность художественно – конструкторского решения каждого элемента формы;

образную информативность формы, свидетельствующую как о прямом назначении изделия, так и о его месте и роли в окружающей функциональной среде;

выраженность в форме изделия его конструктивных закономерностей (тектоничность).

Показатель гармонической целостности композиционной структуры характеризует:

гармоничность пропорций, масштабную соразмерность частей и целого, ритмичность композиционных элементов изделия;

целостность пластического решения формы, стилевое единство всех его элементов;

значение в объемно-пространственной структуре изделия основных и второстепенных элементов, их соподчинённость и группирование вокруг композиционного центра;

гармоничность цветового и фактурного решения, их соответствие общему композиционному замыслу;

согласованность графических и декоративных элементов с композиционным решением изделия.

Показатель совершенства производственного исполнения элементов внешней формы характеризует:

стабильность товарного вида изделия в процессе эксплуатации, устойчивость элементов формы к повреждениям;

степень отделки поверхности изделия (их механической обработки, нанесение защитно-декоративных покрытий и др.);

тщательность исполнения швов, стыков, соединений, сопряжений, креплений;

четкость исполнения графических и декоративных элементов.

Рекомендации и примеры цветовой отделки изделий. Традиционный подход к выбору покрытий, как завершающему этапу конструкторской разработки далеко не всегда может обеспечить требования технической эстетики, что следует из определения покрытий как органической части формы и образующего ее материала. В связи с этим покрытия и способы их нанесения следует выбирать в процессе конструирования отдельных деталей, сборочных единиц и изделия в целом с учетом основных эксплуатационных и технологических факторов. Например, для получения надежного в эксплуатации стеклоэмалевого покрытия необходимо избегать сварных швов и острых ребер в конструкции сборочных единиц (деталей). При необходимости электролитического хромирования детали ее конфигурацию следует конструировать с учетом низкой рассеивающей способности электролитов хромирования.

В случаях, когда поверхность детали несет доминирующую функциональную нагрузку (отражатели, шкалы, номограммы и др.) покрытие в известной мере определяет выбор конструкционного материала.

Сложный комплекс факторов, которые необходимо учитывать при выборе покрытия, исключает какие-либо универсальные рекомендации. Однако, общие сведения могут способствовать оптимальному решению конкретных задач. Схема иллюстрирует необходимость одновременного учета основных функционально-эксплуатационных требований, предъявляемых к деталям конструкции, и технологических характеристик последних

Цвет играет важную роль в оптимальном режиме функционирования системы машина – человек – среда; значение цвета проявляется в цветовой отделке изделий машиностроения.

Цветовое решение должно удовлетворять ряду требований, основными из которых являются: информационно-смысловое значение (информация о функциях изделия, сигнализация о состоянии производственной среды с точки зрения безопасности, обозначение органов управления и др.); рекламная эффективность (товарный вид изделия); эмоционально-эстетическое воздействие на человека.

Положительное эмоционально-эстетическое воздействие цветового решения на человека обеспечивают: созданием комфортных психофизических условий функционирования человеческого организма в ходе трудового процесса; формированием обстановки, способствующей творческому подходу человека к своей работе.

Цветовой фактор психофизического комфорта обеспечивает: оптимальные условия восприятия человеком формы предметов (машины, станка, инструментов и т.д.); оптимальные условия восприятия пространства, в котором происходит трудовой процесс; частичную компенсацию неблагоприятных воздействий производственного процесса (снижение зрительной утомляемости и т.д.); улучшение санитарно-гигиенических условий; повышение степени безопасности производственных процессов.

Гармония цветовых соотношений изделий и интерьера (по цветовому тону, насыщенности цвета) способствует выполнению следующих основных требований технической эстетики к изделию: современность художественно – конструкторского решения; функциональная выразительность формы; гармоническая целостность композиционной структуры (особенности архитектурной композиции и цветовое решение интерьера, характер естественного и искусственного освещения при эксплуатации изделия); красота изделия.

При выборе рационального цветового решения изделий определенного вида следует проанализировать комплекс конкретных условий и факторов: характер технологического производственного процесса, выполняемого изделием; функциональное назначение изделия; размеры изделия; условия безопасности процессов труда.

Цвет влияет на качественное восприятие готового изделия. Темные цвета, создающие эффект тяжести, можно использовать для окраски фундаментов, несущих конструкций, в некоторых случаях станин; такие цвета как бы подчеркивают их назначение, выполняемую функцию. Однако изделия, полностью окрашенные в темные тона, имеют неприглядный вид, поглощают много света и создают фон, затрудняющий выявление очертаний изделий при выполнении, например, точных работ. Такие яркие цвета, как желтый, красный, оранжевый, вызывают впечатление напряженности, тревоги. В то же время они способствуют появлению ощущения теплоты. Светлые тона используют для уменьшения впечатления массивности. Если, например, часть машины нависает над головой работника и утомляет его своей громоздкостью, то можно создать впечатление мнимого удаления окрашиванием её в бледно-голубой цвет.

Многие специалисты рекомендуют окрашивать оборудование в светло-серые, светло-зелёные, светло-голубые тона, так как они обладают высоким коэффициентом отражения (около 60 %). Кроме того, изделия должны быть окрашены таким образом, чтобы создавался цветовой контраст между их отдельными частями. Такой метод окрашивания в значительной мере способствует выявлению чёткости разделения деталей и, следовательно, способствует повышению производительности труда. Необходимо, однако, избегать слишком резких цветовых контрастов, так как они утомительны для глаз. Особенно важно не окрашивать большие площади в яркие цвета. Ярко окрашенные поверхности могут вызвать явление ослепления (из-за чего нарушается чёткость видения), утомление глаз и общее физическое недомогание.

Внутренние поверхности корпусных деталей целесообразно окрашивать в тёмные тона, так как это облегчает сборку, контроль и регулирование механизма, собранного в корпусе. Внутренние части панелей, люков нужно окрашивать в яркие цвета для того, чтобы они отчётливо выделялись в открытом положении. Цветовое обозначение приспособлений и некоторых инструментов облегчает обслуживание сложных машин и установок.

Подвижные устройства (транспортная техника, краны, автопогрузчики, автомашины, электрокары и др.) должны чётко выделяться на общем фоне. Для привлечения к ним максимального внимания необходимо окрашивать их, например, в ярко-оранжевые цвета, на передние и задние части машины наносить чёрные и жёлтые полосы. Число цветов должно быть минимальным. Во многих случаях два или три цвета обеспечивают необходимый эффект.

Особое значение приобретает цвет при использовании его в сигнальных системах. Применение цвета для любых кодирующих систем должно совпадать с его укоренившимся значением. Очевидно, красный цвет, обозначающий опасность или «стоп», не следует применять для других целей. Экономное употребление предупреждающего цвета для окрашивания лишь наиболее опасных мест, более эффективно, чем применение его для общего покрытия.

Учёт психологического воздействия различных цветов играет важную роль в технике безопасности. Использование цвета в качестве кода-носителя информации об опасности может быть дополнительным средством предупреждения несчастных случаев.

Рациональное использование сигнальных цветов во многих случаях может значительно повысить надёжность работы человека, уменьшить число ошибок в опасных случаях. Окраску изделий лакокрасочными материалами сигнальных цветов и нанесение (установку) знаков безопасности должно выполнять предприятие-изготовитель изделия в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.026 – 80 (СТ СЭВ 1412 - 78).

Выбирая покрытие для отдельных элементов конструкции и изделия в целом, наряду с рассмотренными технологическими особенностями их изготовления нельзя не учитывать специфики конкретного производства.