Виноградов В.С. Технологическая подготовка производства сварных конструкций в машиностроении - файл n1.docx

приобрести
Виноградов В.С. Технологическая подготовка производства сварных конструкций в машиностроении
скачать (8856.2 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx8857kb.19.09.2012 00:17скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
В. С. ВИНОГРАДОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1981

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сварка и пайка — прогрессивные технологические процессы получения неразъемных соединений деталей, позволяющие создать современные конструкции с высокими эксплуатационными характеристиками. Достоинства сварных и паяных соединений способствуют широкому применению их в изделиях различного назначения.

Эти процессы позволяют экономить материалы и время при производстве конструкций. Они открывают новые, более широкие возможности механизации и автоматизации производства, создают условия для повышения производительности труда, высвобождают рабочую силу, позволяют увеличивать выпуск продукции без расширения производственных площадей и требуют меньших капиталовложений. Однако создание сварных конструкций имеет свои Специфические особенности. Во-первых, это проявляется в различии методик и подходов к проектированию самих конструкций, позволяющих помимо требуемых технических характеристик изделий обеспечить возможность снижения их металлоемкости и высокую технологичность. Во-вторых, производство таких конструкций кроме сварки и пайки включает целый комплекс работ, связанных с получением деталей, их подготовкой, сборкой, доработкой и т. п.

От прогрессивности применяемых процессов и качества выполнения этих работ, во многом зависит качество готовых изделий и эффективность сварочного производства в целом. Оптимальные решения при создании сварных и паяных конструкций могут быть получены лишь при совместном рассмотрении конструкторских и технологических вопросов. Основные методы конструктивно-технологического проектирования сварных конструкций разработаны в трудах ведущих советских ученых-сварщиков Б. Е. Патона, Г. А. Николаева, Н. О. Окерблома и др.

В условиях непрерывного усложнения конструкций, неуклонного роста объема сварочных работ большую роль играет правильное проведение технологической подготовки производства, в значительной степени определяющей его трудоемкость и сроки освоения, экономические показатели, эффективность использования средств механизации и автоматизации. Наибольший эффект технологической подготовки достигается при комплексном решении вопросов по технологической отработке конструкций, разработке технологических процессов и их оснащения на всех этапах производства.

В настоящее время в промышленности, проектных и научно-исследовательских организациях накоплен большой опыт па-созданию сварных конструкций разного назначения. Предлагаемая книга является попыткой обобщить и систематизировать соответствующие материалы по комплексной технологической подготовке сварочного производства в отечественной и зарубежной промышленности и в сжатой форме представить основные аспекты проблемы. Основное внимание сосредоточено на рассмотрении общих вопросов, определяющих содержание и организацию технологической подготовки сварочного производства. При этом в первую очередь уделено внимание производству листовых конструкций, широко используемых во многих отраслях машиностроения. Эта группа изделий является: весьма сложной по своим конструктивно-технологическим особенностям и многообразной по номенклатуре.

В книге вопросы сварки и пайки изложены параллельно во всех разделах.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Технология сварочного производства» МАТИ им. К. Э. Циолковского, оказавшим помощь при подготовке рукописи.
Глава I

ОСОБЕННОСТИ МАШИНОСТРОЕНИЯ И РОЛЬ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Ведущая роль в развитии социалистической экономики принадлежит машиностроению, призванному обеспечить все отрасли народного хозяйства необходимыми машинами, аппаратами, приборами.

Развитие научно-технического прогресса требует непрерывного совершенствования выпускаемых изделий с целью повышения их технико-эксплуатационных характеристик. В свою очередь это связано с усложнением конструкций машин и их комплексов, причем темпы усложнения конструкций настолько велики, что часто намного превышают темпы развития технологии производства. Это сопровождается повышением металлоемкости и массы конструкций, как правило, увеличивается продолжительность производственных циклов, растет трудоемкость изготовления и себестоимость, особенно в таких сложных отраслях машиностроения, как производство летательных аппаратов, химическом машиностроении, изделиях новой техники и др. Например, за послевоенный период трудоемкость изготовления и себестоимость выпускаемых самолетов возросли в десятки раз. Поэтому перед машиностроителями поставлена задача повышать технический уровень производства на базе новейших достижений науки и техники с целью увеличения технико-экономических показателей изделий и снижения производственных затрат.

Решить поставленные задачи можно лишь применяя более совершенные методы проектирования конструкций, с непременной отработкой их высокой технологичности, а в производстве — разрабатывая и используя наиболее прогрессивные технологические процессы и оборудование, внедряя передовые формы организации труда. Развитие техники вызывает необходимость предъявления повышенных требований и к материалам. Все это создает предпосылки качественных изменений всего машиностроительного производства.

В целом машиностроение представляется совокупностью ряда различных отраслей со своими специфическими особенностями, определяющими как методы проектирования изделий, так и способы их производства. При этом значительное влияние на производство оказывают масштабы выпуска изделий и темпы совершенствования их конструкций. В то же время в отраслях имеется и много общего, в первую очередь, с позиций методики и системы разработки и внедрения технологических процессов, технологического оборудования и средств оснащения. Это позволяет провести с общих позиций анализ качественных изменений современного машиностроительного производства.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Характерная особенность современного машиностроения — существенное изменение номенклатуры используемых конструкционных материалов. Нужно отметить, что развитие современной техники, возможность совершенствования конструкций, повышения их технических характеристик в значительной степени определяется прогрессивностью применяемых материалов. Одновременно это является одним из важнейших путей снижения металлоемкости конструкций [32]. Для большинства отраслей машиностроения по-прежнему основным конструкционным материалом остается сталь. Однако вместо традиционных низкоуглеродистых сталей в номенклатуре применяемых материалов все более широкое использование находят низко- и среднелегированные конструкционные стали с пределом текучести 500—800 МПа, а также высокопрочные стали с пределом текучести 900 МПа и более. Их применение позволяет резко повысить работоспособность изделий, их эксплуатационную надежность и одновременно уменьшить массу. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что затраты на изготовление тяжело-нагруженных конструкций из таких сталей намного ниже, чем из обычных низкоуглеродистых. Например, использование низколегированной стали при изготовлении кузовов большегрузных автомобилей БелАЗ-549 позволило значительно увеличить долговечность конструкции и уменьшить ее массу на 25 %, а при изготовлении цельносварных скипов — уменьшить их массу на 25—30 % и увеличить грузоподъемность на 15—20 % [20]. Это особенно существенно когда масса играет важную роль, например в автомобилестроении, в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении.

С 1955 г. объем сварных конструкций из низколегированных сталей в машиностроении увеличился более чем в 17 раз [13]. Важное значение имеет применение двухслойных и многослойных материалов, особенно для изделий таких отраслей, как химическое машиностроение, реакторостроение, энергетическое машиностроение. Также непрерывно растет объем и номенклатура используемых легких сплавов на основе алюминия, титана, магния.

Особенно большие изменения в номенклатуре применяемых материалов наблюдаются в таких сложных отраслях, как авиационная промышленность и ракетостроение. От современных летательных аппаратов требуются высокие летно-технические характеристики. Одновременно они должны обладать наименьшей массой при необходимой прочности, высокой надежности и долговечности. В современных конструкциях создают формы с высокими аэродинамическими показателями, совмещают и усложняют рабочие функции отдельных элементов, создают крупногабаритные герметичные отсеки корпусов, кабин и т. п. Поэтому повысились требования к конструкционным материалам, что выразилось в изменении и расширении их номенклатуры.

Так для элементов планера вместо ранее применявшихся алюминиевых сплавов (АМц, АМгЗ, Д16) используют легкие сплавы с более высокими физико-механическими свойствами (АМгб, В92, САП и др.), сплавы на основе титана, нержавеющие и специальные стали. Например, у самолетов с полетными скоростями в 2 и более раз превышающими скорость звука, масса титановых сплавов и специальных сталей более 80 %.

Для двигателей вместо ранее применявшихся конструкционных сталей используют высокопрочные стали, прочность которых до 2000 МПа, стали, обладающие повышенной жаростойкостью и жаропрочностью, сложные высоколегированные сплавы, тугоплавкие материалы. Развитие техники на современном этапе характеризуется применением редких металлов и их сплавов, композиционных материалов. В перспективных конструкциях все шире применяются такие металлы, как ниобий, цирконий, молибден, тантал, обладающие высокой жаропрочностью, высоким сопротивлением коррозии и рядом других специфических свойств. Освоение их как конструкционных материалов и расширение области их применения играет важнейшую роль в деле дальнейшего технического прогресса.


РОЛЬ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В МАШИНОСТРОЕНИИ

Второй характерной особенностью современного машиностроения является изменение содержания самого производства. Использование новых материалов потребовало значительных изменений в технологии изготовления конструкций. При соединении деталей и узлов из новых материалов резко повысилась роль сварки и пайки. Использование этих процессов создает условия для проектирования более эффективных конструкций машин и значительной экономии металла, увеличивает их надежность и долговечность. Благодаря этому стало возможным создание оригинальных конструкций современных автомобилей, самолетов, аппаратов и установок для химической и энергетической промышленности, работающих при высоких давлениях и температурах, в агрессивных средах, глубоком вакууме и т. д.

Рисунок 1 – Применение сварных (I), болтовых (II) и клепаных (III) соединений в ответственных узлах грузового автомобиля ГАЗ-53А
Например, использование сварных соединений вместо клепаных и болтовых в автомобиле ГАЗ-53А позволило вдвое повысить его грузоподъемность и увеличить пробег до капитального ремонта по сравнению с ранее выпускавшимся автомобилем ГАЗ-51 [45].

Анализ динамики развития производства показывает, что в настоящее время сварка преобладает в технологии получения неразъемных соединений в различных отраслях промышленности. Так на заводах отечественного автомобилестроения для изготовления сварных металлоконструкций расходуется более 2,5 млн. т стального проката, что составляет 50 % от общей массы расходуемого металла [3]. В конструкциях современных легковых и грузовых автомобилей, автобусов, прицепов, выпускаемых на этих предприятиях, преобладают сварные узлы и детали. Из рисунка 1 видно преимущественное использование сварных соединений в конструкции автомобиля ГАЗ-53А. Очень велик объем сварочных работ при производстве летательных аппаратов. В самолетах тяжелого типа число сварных точек, выполненных контактной сваркой, исчисляется миллионами штук на машину, протяженность герметичных швов составляет свыше 10 000 м. В конструкцию планера входят сотни квадратных метров панелей с сотовым и гофровым заполнителем, большое число трубопроводов и других узлов, изготовленных с помощью пайки. Например, в американском самолете ХВ-70 общая площадь паяных сотовых панелей равняется 1800 м2. В современных авиационных двигателях число сварных элементов с общей длиной соединений около 3000 м превышает 1500 шт. Еще большие показатели по объему применения сварных соединений характерны для ракетных конструкций, где более 90 % всех неразъемных соединений выполняют сваркой и пайкой, а протяженность самих соединений исчисляется многими тысячами метров. Дальнейшее развитие машиностроительных конструкций, сопровождающееся общим подъемом технического уровня производства, предусматривает в еще более широких масштабах использование сварки и пайки в технологическом процессе. Без применения рациональных сварных конструкций сейчас немыслимо дальнейшее развитие технического прогресса. Поэтому объем сварочных работ из года в год непрерывно растет. Так за 1978 г. в стране было произведено более 60 млн. т сварных конструкций, из них почти треть произведена в машиностроении [40].

Однако необходимо отметить, что сварка является лишь определенным технологическим способом получения неразъемных соединений, а поэтому сама по себе не может являться самостоятельным производством, или служить самоцелью какого-либо производственного процесса. Она должна рассматриваться как средство для достижения иной цели—получения сварных конструкций. Изготовление же сварных конструкций сложно, имеет свои особенности, включает ряд разных работ: получение заготовок и деталей, отвечающих необходимым требованиям, подготовку их под сварку, сборку, транспортировку, дополнительную доработку, контроль и т. п., — без которых сварка не может производиться и которые с ней тесно связаны и во многом определяют получение конструкций с заданными свойствами. Причем трудоемкость чисто сварочных операций, как правило, составляет относительно небольшой удельный объем в общей трудоемкости технологического процесса (табл. 1).


Таблица 1 – Трудоемкость работ сварочных цехов


Операции

Удельный объем в трудоемкости, %





Общей

Сборочно-сварочного передела

Основные заготовительные


18




Сборка сварных узлов

21

29

Сварка

21

29

Правка, отделка, термообработка, механообработка, окраска, упаковка


9


13

Вспомогательные технологического процесса


21


29

Обслуживания (работы вспомогательных служб сварочных цехов)


10





Отмеченный комплекс работ в целом рассматривают как сварочное производство, организуемое обязательно с учетом особенностей той или иной отрасли машиностроения. Такое широкое комплексное рассмотрение сварочного производства необходимо в вопросах совершенствования как самих сварных конструкций, так и методов их изготовления. Это отвечает задачам технического прогресса, в частности, более эффективного использования сварочных процессов в народном хозяйстве страны.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Сложные металлические конструкции в машиностроении, как правило, получаются в результате соединения между собой отдельных элементов (деталей, агрегатов). Эти соединения могут быть подвижными, неподвижными, разъемными и неразъемными. Длительное время неразъемные соединения в машиностроении выполнялись клепаными. Соединение деталей при этом осуществляется механическим закреплением их специальными соединительными элементами (заклепками, накладками и т. п.). В сварных соединениях применять такие элементы не требуется. Образование соединений в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы (металл соединяемых деталей) [30, 47]. При этом происходит процесс образования межатомных (химических) связей между атомами, принадлежащими непосредственно металлу соединяемых деталей. Для сварных соединений характерно возникновение металлических форм связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов. Такая связь образуется при сближении атомов на расстояния, по величине близкие параметрам кристаллической решетки. Соединяться могут как однородные, так и разнородные металлы. Получаемые соединения обладают высокими прочностными характеристиками, достигающими прочности основного металла (табл. 2).
Таблица 2 – Свойства сварных соединений, полученных сваркой плавлением


Металл

Способ сварки

МПа


Относительная прочность соединения







основного металла

соединения

Низкоуглеродистая сталь ВСтЗсп

Автоматическая дуговая под флюсом

440-460

440-500

1

Аустенитная сталь Х18Н10Т

Автоматическая аргано-дуговая вольфрамовым электродом

480

460-480

1

Алюминиевый сплав АМгб

То же

340-360

320-340

0,9-1

Титановый сплав: ВТ5-1

ВТ6


»

»


50-900

900-1050


800-910

1000-1060


1

1



Таблица 3 – Прочность при срезе сварных точечных и клепаных соединений


Толщина соединяемых листов, мм

Диаметр, мм

Разрушающая нагрузка на точку, Н

Разрушающая нагрузка (Н) на заклепку из сплава




сварной точки

заклепки




Д18

В65

0,8

1

1,5

2

3

4

4

4,5

6,5

7,5

9,5

13

3

3,5

4

5

7

9,5

1750

2550

4600

6900

12000

22500

1270

1740

2260

3530

6930

12710

1770

2420

3140

4900

9620

17600


В табл. 3 приведены значения прочности при срезе сварных точечных и клепаных соединений, близких по конструктивному исполнению, для различных толщин материала и соответствующих им размеров сварных точек и заклепок. Как видно из приведенных данных, прочность при срезе сварных точечных соединений значительно выше, чем клепаных [16]. К тому же необходимо учитывать, что отверстия под заклепки ослабляют рабочее сечение основного металла (рис. 2).


Рис. 2. Зависимость прочности сварных и клепаных соединений от шага точек и заклепок (сплав Д16А-Т, толщина 1,2 мм):

1 — сварные точки; 2 — заклепки с полукруглой головкой; 3 — заклепки с потайной головкой

Так при шаге 15 мм разупрочнение основного металла при постановке сварной точки составляет 5%, при клепке ослабление за счет отверстия и зенковки—15 и 20% соответственно для заклепок с полукруглой и потайной головками. При испытании сварных точечных и клепаных соединений на усталостную прочность получили практически одинаковые данные. Применение клеев в сварных соединениях позволило существенно повысить прочностные характеристики последних и в случае динамического нагружения (рис. 3).


Рисунок 3 – График усталости неразъемных соединений:

1 – клепанных; 2 – сварных; 3 – клеесварных;

Выполнение сварных соединений менее трудоемко и экономически более выгодно, чем клепаных. Ниже приведены затраты времени в мин на установку 100 заклепок и 100 сварных точек при изготовлении узлов из тонколистовых легких сплавов.

При выполнении герметичного стыкового соединения той же протяженности автоматической аргонодуговой сваркой с учетом зачистки, прихватки и всех вспомогательных работ затраты времени составляют 18,5 мин.
Клепка

Разметка……... 3

Сверление 10

Зенковка 20

Установка заклепок .....10

Пневмоклепка 10

Итого………………………….53
Точечная сварка

Разметка ……………………………………………………….3

Сврление 10 отверстий под контрольные заклепки………...1

Установка заклепок ………………………………………......1

Точечная сварка пи скорости 20 точек в мин……………..4,5

Клепка………………………………………………………….3

Итого………………………………………………………..12,5
Анализ производственных данных подтверждает, что во всех случаях сварка — процесс менее трудоемкий, чем клепка. Для алюминиевых сплавов это соотношение составляет 1:2—1:4, а для сталей около 1:10 в пользу сварки. По зарубежным данным, при изготовлении самолетных узлов с постановкой 170 000 сварных точек экономия времени по сравнению с клепкой составила более 1000 ч.

Особенно значительно снижение трудоемкости при замене герметичных клепаных соединений различного вида сварными. Кроме того, применение сварки вместо клепки часто позволяет существенно упростить конструкцию как самих соединений, так и изделия в целом (рис. 4). В табл. 4 приведены данные по трудоемкости выполнения и себестоимости сварных и клепаных соединений.



Рисунок 4 – Конструкции герметичных клепанных (а) и сварных (б, в) соединений обшивки с профилем


Таблица 4 – Технико-экономическая эффективность клепки и точечной сварки листов из сплава Д16А-Т толщиной 1,5 мм при шаге 30 мм


Способ соединения

Себестоимость 1 м шва, руб.

Относительные показатели изготовления 1 м шва, %

Трудоемкость

Себестоимость

Точечная сварка

0,0693

100

100

Механизированное сверление и групповая клепка(без герметизации)



0,0845



175

123

Механизированное сверление и групповая клепка с поверхностной герметизацией шва.


0,1167


385

242

Точечная сварка в нахлестку с последующим введением клея

0,0815

151

119

Примечание. При расчетах не учитывали затраты на подготовку поверхности, анодирование и разметку.


Немаловажное значение имеют и затраты на оборудование. Как правило, оборудование в сварочных цехах недорогостоящее по сравнению с оборудованием, применяемым для изготовления клепаных конструкций. Аналогичная картина наблюдается и в сравнении с другими технологическими процессами. Так удельные капитальные вложения на 1 т сварных заготовок примерно в 3 раза меньше, чем на 1 т стального литья, да в 5 раз меньше, чем на 1 т поковок из слитков [10]. Необходимо также иметь в виду, что часто нецелесообразно или просто невозможно использовать клепаные соединения в конструкциях из новых конструкционных материалов, работающих в условиях частых теплосмен, при необходимости сохранения герметичности и т. д. В таких случаях сварка и пайка являются основными, а часто единственными способами получения неразъемных соединений с требуемыми свойствами. Сварные конструкции обладают рядом особенностей, обеспечивающих их высокие технико-эксплуатационные показатели, что обеспечивает им широкое распространение в промышленности. К числу •основных особенностей можно отнести следующие:

  1. Органическая связь отдельных элементов (деталей, заготовок, узлов) друг с другом, обусловленная неразъемными сварными соединениями, создающими монолитность конструкции. Это позволяет совмещать преимущества составной конструкции в производстве с достоинствами монолитных в эксплуатации.

  2. Упрощение конструкции соединений, возможность получения разнообразных конструктивных форм, при использовании элементов с разными параметрами, полученных с помощью различных технологических процессов, наиболее соответствующих их назначению и экономичности. В результате расширяются возможности выбора более рациональных конструктивных решений и создания высококачественных и надежных конструкций.

  3. Высокие физико-механические свойства сварных соединений, возможность применения в конструкциях разнородных материалов, наиболее соответствующих условиям работы различных элементов. Это позволяет полноценно использовать свойства материалов, уменьшать массу и металлоемкость конструкций.

  4. Высокая технологичность сварных конструкций и упрощение технологии их изготовления являются основой снижения производственных затрат. Это выражается в сокращении сроков освоения производства, снижении трудоемкости и себестоимости выпускаемых изделий.

Использование сварных и паяных соединений расширяет технические возможности создания совершенных конструкций, позволяет обеспечить высокие производственные показатели при их изготовлении и улучшить условия труда работающих.

МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Непрерывное усложнение конструкций, как уже отмечалось, неизменно сопровождается возрастанием трудоемкости их изготовления и себестоимости. Поэтому механизация и автоматизация производства также являются одной из характерных особенностей развития современного машиностроения. Правильное использование средств механизации и автоматизации позволяет сократить производственный цикл, уменьшить трудоемкость изготовления и себестоимость выпускаемой продукции, более эффективно использовать производственные площади; и обслуживающий персонал, обеспечить равномерный выпуск продукции высокого, а главное, стабильного качества, что в итоге ведет к повышению ресурсов и эксплуатационной надежности изделий. Поэтому необходимо принимать меры для повышения уровня механизации и автоматизации сварочного производства в машиностроении, где еще значительный объем сварочных работ выполняется вручную и расходуется 26 %, производимых штучных электродов.

В настоящее время в целом уровень использования механизированных сварочных процессов составляет около 60%. Выбор наиболее рациональных и эффективных методов и средств механизации и автоматизации технологических процессов зависит от особенностей методов проектирования и производства конструкций. Высокий уровень механизации и автоматизации достигнут в отраслях с массовым и крупносерийным производством. Например, при изготовлении труб этот уровень составляет 98%, в автомобилестроении — 90%, в комбайностроении— 80 %.

Гораздо сложнее эти вопросы решаются на предприятиях с малой программой выпуска и широкой номенклатурой изготовляемых изделий. При этом необходимо иметь в виду, что. такие предприятия выпускают более двух третей всей машиностроительной продукции в стране. Большие трудности возникают при решении данных вопросов в отраслях машиностроения с частой сменой объектов производства, вызванной их непрерывной модернизацией и совершенствованием. В первую очередь это относится к производству летательных аппаратов, химическому машиностроению и др.

Анализ показывает, что основными трудностями при внедрении средств механизации и автоматизации сварочного производства в этих условиях являются, во-первых, малая программа выпуска однотипной продукции, во-вторых, высокая стоимость и недостаточные темпы создания автоматизированного оборудования и специализированной или специальной оснастки, что затрудняет их окупаемость и экономически эффективное использование. Экономическая оптимальности варианта механизации и автоматизации технологического процесса может быть определена из условия


где А — стоимость автоматизированного оборудования и специализированной оснастки; а — стоимость универсального неавтоматизированного оборудования и оснастки; N, — годовая программа выпуска изделий при автоматизированном и неавтоматизированном процессах; ,— сроки амортизации оборудования для автоматизированного и неавтоматизированного процессов; П, П — затраты на заработную плату при автоматизированном и неавтоматизированном процессах.

Из формулы видно, что максимальный экономический эффект может быть получен или при небольших затратах на оборудование и оснастку, или при больших программах выпуска. До недавнего времени основное внимание уделялось оснащению предприятий современным механизированным оборудованием для выполнения собственно сварочных операций. Это привело к быстрому подъему уровня механизации сварочных работ. Между тем, по трудоемкости всего передела при изготовлении сварных конструкций на сварку в среднем приходится не более 25 % от общих затрат. Поэтому дальнейшая механизация и автоматизация только сварочных операций все меньше сказывается на общей трудоемкости и производительности труда. Дальнейший прогресс возможен только при условии комплексной механизации и автоматизации всего производственного процесса, включая заготовительные, сборочные, транспортные, отделочные, контрольные и вспомогательные операции.

Развитие машиностроения и накопленный опыт позволяют определить основные принципы и наметить пути дальнейшего развития сварочного производства и тем самым создают предпосылки для перевода его на новый, более высокий уровень.

В настоящее время совершенствование изготовления сварных конструкций, в первую очередь, идет по пути максимального расчленения производственных процессов и создания специализированных и специальных средств, позволяющих механизировать и автоматизировать основные и вспомогательные работы. Такой подход получил широкое распространение в массовом и серийном производстве. Стало возможным автоматизировать различные по своему характеру работы, используя для этого типовое и специальное оборудование.

В условиях крупномасштабного производства, когда возможно создание автоматизированных поточных линий, применение глубоко дифференцированной технологии и специализированных по видам работ средств механизации и автоматизации обеспечивает высокий технико-экономический эффект. Производительность труда увеличивается, повышается культура всего» производства и качество продукции.

В условиях единичного и мелкосерийного производства автоматизация отдельных видов работ не позволяет соблюдать нормативные сроки окупаемости капитальных вложений, так как коэффициент использования оборудования невысок. Достигаемый при этом эффект от роста производительности труда на основных видах работ резко снижается из-за больших затрат труда на выполнение дополнительных, вспомогательных и транспортных операций, обусловленных дифференцированием технологии.

До недавнего времени практически пути эффективной автоматизации производства сварных конструкций с малой программой выпуска не были ясны. Изготовление конструкций в единичном и мелкосерийном производстве основывалось на использовании универсальных технологических процессов и средств малой механизации, что приводило к широкому использованию полуавтоматических способов сварки, в некоторых случаях даже замене ими механизированных процессов. С возрастанием сложности разрабатываемых конструкций предъявляются более высокие требования к качеству их изготовления, которое зависит от уровня механизации производства. Чтобы улучшать качество изготовляемой современной техники, повышать ее эксплуатационную надежность, необходимо механизировать процессы производства и средств контроля.

Для дальнейшего совершенствования производства сварных, конструкций и увеличения доли механизированной сварки необходимо изыскание и создание оборудования и форм организации работ, позволяющих интенсифицировать основные и вспомогательные операции не в произвольно увеличенной степени, а в той мере, в какой они одновременно соответствуют и требованиям научно-технического прогресса, и условиям экономической эффективности использования создаваемых средств при соответственно наивысшем организационно-техническом уровне производства в целом. При этом предусматривается возможность совмещения операций технологического процесса, а выполнение средств производства — в виде сварочных установок и комплексов, в достаточной степени механизированных и автоматизированных, собираемых из простейших, унифицированных узлов [19, 37]. При таком подходе возможно интегрированное выполнение различных операций на комплексных производственных агрегатах, одновременное выполнение нескольких технологических процессов, параллельная обработка нескольких однотипных узлов, сварных соединений и т. п. Новый подход расширяет возможности технологов и конструкторов при создании средств комплексной механизации и автоматизации как единичного производства сварных конструкций, так и массового" и крупносерийного с целью повышения экономической эффективности.

Безусловно, создание производственных средств, превосходящих существующие по интенсивности действия и эффективности использования производственного персонала и вместе с тем экономичных, не только в условиях производства с большой программой выпуска, но и с малой программой — сложная; задача. Тем не менее, для определенных элементов и узлов-конструкций при условии унификации и типизации конструктивных форм и технологических процессов создание подобного-оснащения является задачей реальной. Предпосылки для этого возникли в результате создания отечественного надежного сварочного оборудования, аппаратуры и унифицированных специальных средств автоматизации. Перед инженерно-техническими службами ставится задача — путем тщательного технического и экономического анализа, проводимого на всех стадиях, подготовки производства, найти вариант механизации и автоматизации, обеспечивающий максимальный экономический эффект для данного конкретного производства.
КОМПЛЕКСНАЯ НОРМАЛИЗАЦИЯ И СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Одной из особенностей современного машиностроения является комплексная нормализация и специализация элементов; производственной системы. Непрерывное усложнение конструкций сопровождается увеличением числа и усложнением составляющих их элементов (деталей, узлов, агрегатов). В результате номенклатура сварных и паяных узлов, изготовляемых: в машиностроении, отличается исключительным многообразием. Наряду с изделиями-малютками, используемыми в приборостроении, приходится встречаться с узлами-гигантами, протяженность сварных соединений которых исчисляется десятками и сотнями метров. При наличии множества сварочных процессов получение соединений в них может быть выполнено-с помощью не одного, а целого ряда различных способов сварки или пайки. Однако при этом, в зависимости от конструктивных и технологических особенностей конструкций, производственные показатели в каждом случае будут различны. Оптимальных технико-экономических показателей и стабильного качества соединений можно добиться при использовании автоматизированных процессов. Технический прогресс в первую-очередь характеризуется созданием высокопроизводительного автоматизированного оборудования.

С другой стороны, необходимо учитывать, что автоматизированное оборудование является и более дорогостоящим. Поэтому высокий экономический эффект от его использования может быть достигнут при условии полной загрузки, часто этого трудно добиться в производстве с малой программой выпуска. В некоторых отраслях, например в авиационной промышленности, из-за высоких требований к качеству и надежности изделий для выполнения практически всех соединений процессы нужно автоматизировать независимо от типа производства. Конструкции быстро усложняются, поэтому темпы расширения номенклатуры изделий и вида работ значительно опережают темпы организации и создания новых производственных подразделений. При таких обстоятельствах вопросы комплексной нормализации и специализации производства приобретают большое значение. Базой для решения этих вопросов должна служить научно обоснованная классификация деталей и узлов по их конструктивно-технологическим признакам. В результате классификации производится объединение узлов в группы по их конструктивной и технологической общности и разработка типовых технологических процессов на базе однотипной оснастки, создаваемой из нормализованных и унифицированных элементов, легко переналаживаемого оборудования и автоматизированных методов производства.

В табл. 5 приведена классификация сварных конструкций авиационной техники с рекомендацией предпочтительного использования того или иного механизированного способа выполнения соединений. Это открывает широкие возможности для: агрегатирования, унификации и стандартизации как элементов объектов производства, так и элементов производственной системы. К тому же открывающаяся при этом возможность создания групп однотипных изделий и концентрации их производства обеспечивает повышение уровня специализации производственных подразделений.
Таблица 5 – Рекомендуемые способы сварки и пайки для различных групп конструкций


Конструкция

Материалы

Изделия- представители

Способ сварки, пайки

Крупногабаритная с продельными и кольцевыми, прямолинейными или криволинейными швами из листового материала:

с набором жесткости при толщине <2 мм
без набора жесткости при толщине >1,5 мм

Легкие сплавы, титановые сплавы, коррозионно-стойкие стали
Легкие сплавы, титановые сплавы, низко- и среднелегированные конструкционные стали, жаропрочные стали и сплавы

Панели фюзеляжа, крыла, стабилизатора, отсеки фюзеляжа, шпангоуты, удлинительные реактивные трубы РД

Отсеки, корпусов, гондолы, камеры сгорания, элементы корпусов РД

ТЭС, РЭС, АДТС

АДЭС, АрДЭС, АДЭСФ, ЭЛС

Емкость

Легкие сплавы, низко- и среднелегированные конструкционные стали, коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы

Баки, баллоны, специальные емкости

АДЭС, РЭС, ЭЛС

Сильно нагруженная силовая с продольными и кольцевыми швами

Легированные конструкционные стали

Шасси, элементы шпангоутов

АДЭСФ, КСС, ЭЛС

С круговыми швами в плоскости


Легкие сплавы, стали, жаропрочные сплавы


Корпуса элементов РД, узлы турбин, детали с фланцами, днища

АДЭС, ТЭС, РЭС, ЭЛС

Трубчатая с кольцевыми швами небольшего диаметра и толщиной <4 мм


Легкие сплавы, титановые сплавы, стали

Элементы трубопровода, качалки, штоки, патрубки, сильфоны

АрДЭС, РЭС, ЭЛС

Замкнутого или незамкнутого контуров из различных профилей со стыковыми .швами



Стали, титановые сплавы


Фланцы, силовые шпангоуты, элементы из труб, бандажи

КСС, ЭШС, ЭЛС

Сложной формы с короткими швами

Любые свариваемые


Патрубки, элементы крепления

ТЭС, ДЭС, пайка

С большой площадью соединения


Легированные стали, титановые сплавы, медные сплавы

Конструкции с сотовым заполнителем, многослойные конструкции, узлы двигателей с охладительными коллекторами

Пайка в печах с контролируемой атмосферой


Сложной формы с большим числом соединяемых деталей из разнородных материалов


Легированные стали и сплавы, титановые сплавы, медные сплавы


Форсуночные головки камер сгорания, роторы турбин двигателей, элементы приборов

Пайка с общим нагревом в контейнерах с контролируемой атмосферой, диффузионная сварка, сварка электронным лучом

С деталями из активных металлов и керамики


Стали и сплавы, тугоплавкие химически активные материалы, керамика


Различные термовводы, элементы горячего тракта двигателей, элементы приборов


Пайка в вакууме, диффузионная сварка, АрДЭС в камерах с контролируемой атмосферой, ЭЛС

Различного назначения с малой площадью соединений


Стали, алюминиевые сплавы, медные сплавы


Элементы трубопроводов и крепления арматуры, узлы монтажа систем


Пайка с местным нагревом с применением флюсов



В этой области накоплен значительный опыт и имеются интересные разработки, дающие существенные результаты [4, 24]. Однако в целом это — огромная проблема. Для решения вопросов комплексной нормализации и специализации с целью получения высокого технико-экономического эффекта требуется приложение больших усилий как со стороны проектно-конструкторских и производственных организаций, так и со стороны научных учреждений, занимающихся вопросами совершенствования организации и технологии сварочного производства и машиностроения в целом.

Отмеченные особенности одновременно являются и направлениями в развитии производства, в том числе и сварочного производства в машиностроении.

Глава II

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В современных машиностроительных конструкциях, изготовляемых с помощью сварки и пайки, используются разнообразные материалы, отличающиеся по своим механическим и физическим свойствам, технологическим характеристикам. Выбор материала определяется соответствием его свойств требованиям, обусловленным назначением и условиями работы конструкции.

Общепринятыми характеристиками материала являются: предел прочности , предел текучести , относительное удлинение , относительное поперечное сужение , ударная вязкость . Однако непосредственное использование их для оценки поведения материала в конструкции в большинстве случаев является недостаточным в связи с условностью определения самих характеристик. Распространение данных, полуденных при испытаниях стандартных образцов без соответствующих поправок, недопустимо. Например, приведенные характеристики не позволяют судить о поведении материала при вибрационных нагрузках, тем более ничего нельзя сказать о сопротивлении металла статическим нагрузкам при низких или при высоких температурах. Поэтому необходимы дополнительные данные о сопротивлении металла усталости, ударным воздействиям, хрупким разрушениям, особенно при низких температурах, о чувствительности к надрезу и концентраторам напряжений и др.

С целью снижения металлоемкости и уменьшения массы конструкций необходимо учитывать не только абсолютные показатели прочностных свойств, но и отношение их к плотности металла — так называемые удельные прочностные показатели материала. Исходя из этого конструкции из стали с могут выдерживать меньшую нагрузку, чем аналогичные и одинаковые по массе, но выполненные из титанового сплава с или из алюминиевого сплава с .

Важная характеристика свойств конструкционных материалов — отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении. Для различных материалов, используемых в сварных конструкциях, это отношение равно . Например, для сплава АМгб это отношение >0,5, для большинства сталей — 0,754-0,8, для мартенситно-аустенитной стали при комнатной температуре и при 500°С —.

В зависимости от температур материал может находиться в вязком или хрупком состоянии, что резко влияет на его поведение под нагрузкой. В вязком состоянии его разрушение происходит после значительных пластических деформаций. В хрупком состоянии способность пластически деформироваться сильно снижена и разрушение происходит под действием нормальных напряжений. Во время эксплуатации такого материала может произойти мгновенное разрушение при случайных перегрузках из-за малой его энергоемкости. Хрупкость не является постоянным свойством материала и переход из пластического состояния в хрупкое зависит от многих факторов — химического состава и структуры, температуры, скорости нагружения, вида напряженного состояния.

Оценкой хрупкости материала служит ударная вязкость. Этот показатель является одной из существенных характеристик сопротивляемости металла разрушению, однако во многих случаях недостаточной. Работа разрушения складывается из двух составляющих: работы зарождения трещины и работы ее распространения . Сопротивление материала зарождению трещин трудно прогнозировать. Иногда это является следствием случайных обстоятельств и может быть незначительной величины. Большие значения имеет до момента разрушения, определяемые специальными испытаниями. Сопротивление разрушению при допустимых повреждениях стало одной из важнейших характеристик конструкционных материалов. Выбор материалов для ответственных конструкций основан на высокой вязкости разрушения. Необходимо применять материалы, которые в условиях эксплуатации находятся в вязком состоянии.

Во многих случаях главным при выборе металлов является их способность работать при повышенной температуре, в агрессивных средах (рис. 5).


Рисунок 5 – Изменение удельной прочности различных материалов при нагреве:

1 — аустенитно-мартенситные стали; 2 — титановые сплавы; 3 — алюминиевые сплавы

  1   2   3   4   5   6   7   8   9


В. С. ВИНОГРАДОВ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации