Машина и ее служебное назначение

1. Машина и ее служебное назначение.
1. Классификация машин и оборудования.

Энергетическое  оборудование (силовые машины и оборудование) - машины - генераторы, производящие тепловую и электрическую энергию, и машины - двигатели, превращающие энергию любого вида в механическую.

Рабочие машины и оборудование - все виды технологического оборудования для производства промышленной продукции.

Информационное  оборудование - оборудование систем связи, средства измерения, средства вычислительной техники, средства отображения информации, средства хранения информации.

Транспортные машины – для перевозки.

Инвентарь производственный и хозяйственный - емкости для хранения жидкостей, устройства и тара для сыпучих, штучных и тарно-штучных материалов, устройства и мебель, служащие для облегчения производственных операций.

2. Машины, механизмы и их структура.

В состав машины обычно входят различные механизмы.

 Всякий механизм  состоит из отдельных твердых  тел, называемых деталями. Деталь является такой частью машины, которую изготовляют без сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.п.) и сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.п.). Детали частично или полностью объединяют в узлы. Узел  представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник, муфта, редуктор и т.п.). Сложные узлы могут включать несколько узлов (подузлов). Одно или несколько жестко соединенных твердых тел, входящих в состав механизма, называется звеном.

В каждом механизме имеется стойка, т.е. звено неподвижное или принимаемое за неподвижное. Из подвижных звеньев выделяют входные и выходные. Входным звеном называется звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом в требуемые движения других звеньев. Выходным звеном называется звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм.

Кинематической парой  называется соединение двух соприкасающихся  звеньев, допускающее их относительное  движение.

1.3 Место машин и оборудования  в производственном процессе.

Рабочие машины и оборудование принимают непосредственное участие в производственном процессе, способствуют увеличению выпуска продукции и поэтому относятся к активно действующей части основных фондов.

С точки зрения технологии машиностроения, машина является (либо объектом, либо средством производства. Машину как систему, созданную трудом человека для качественного преобразования исходного продукта в полезную для человека продукцию.

Под служебным назначением  машины понимают четко сформулированную конкретную задачу, для решения которой предназначена машина.

1.4 Основные проблемы повышения качества машин

1.5 Качество и экономичность машин.  Технико – экономические показатели.

Технико-экономические  показатели станков. Для оценки качества станков пользуются системой технико-экономических показателей, наиболее важными из которых являются точность, производительность, надежность, экономическая эффективность, безопасность и удобство обслуживания.

Точность станка характеризуется  его способностью обеспечить форму, размеры, взаимное расположение с допустимыми отклонениями, а также определенную шероховатость обработанных поверхностей изделия.

Производительность станка оценивают чаще всего числом деталей, которые можно изготовить в единицу  времени.

Повышение производительности станка достигается прежде всего  увеличением скорости движения, глубины  резания, числа одновременно работающих инструментов, автоматизацией цикла работы.

Надежность станка является его свойством сохранять при  правильной эксплуатации точность и производительность в заданных пределах, а также сохранять свои качества при правильном хранении и транспортировке.

Экономическая эффективность  зависит в первую очередь от производительности станка.

Под качеством машины понимают совокупность ее свойств, обуславливающих способность выполнять свое СН.

Качество продукции  – показатель, характеризующий способность изделия выполнять определенные функции в течении определенного времени в определенных условиях.

Качество машины характеризуется следующими показателями качества:

1. Качество продукции,  производимой машиной;

2. Технический и технологический  уровень машины: КПД, металлоемкость, мощность, производительность, технологичность и др.

3. Эксплуатационный уровень  машины (изделия): надежность, экономичность, удобство управления, экологичность, эргономичность и др.

Надежность изделий  является одним из главных показателей качества.

Надежность – свойство изделия, характеризуемое способностью выполнять заданные функции при сохранении параметров в заданных пределах.

Надежность характеризуется  безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки ресурса.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при правильной эксплуатации, обслуживании, ремонте.

Предельное состояние  наступает в следующих случаях:

1. выход из строя  базовой детали изделия,

2. невозможность эксплуатации по технике безопасности и др.,

3. нецелесообразность  эксплуатации по технико-экономическим показателям (имеется более совершенная машина).

Ремонтопригодность –  свойство машины, которое заключается в приспособленности к предупреждению, быстрому обнаружению и ликвидации причин отказов.

Сохраняемость – свойство машины сохранять основные показатели долговечности, безотказности, ремонтопригодности в течение (и после) хранения и транспортировки при соблюдении установленных требований.

В проектирование, изготовление, обслуживание, эксплуатацию и ремонты вкладывается конкретный труд, энергия, материалы (сырье) и технические средства. Все это вместе взятое образует стоимостное свойство машины – ее экономичность Э.

Экономичность машины определяется суммами затрат на проектирование Зпр, изготовление Зизг, эксплуатацию Зэ, техническое обслуживание Зт.о. и ремонты Зрем., отнесенными к количеству продукции N, произведенной за период ее службы:

Э = Зпр + Зизг + Зэ + Зт.о. + Зреем / N

Между показателями качества и экономичности существуют определенные связи, приводящие к влиянию одних на другие. Так, например, повышение надежности машины, сокращает затраты на устранение отказов, техническое обслуживание и ремонты, но с другой стороны повышает затраты на проектирование, материалы (применяются более качественные и дорогие) и изготовление машины.

От качества проектирования машины во многом зависит потребление  машиной энергии, топлива на единицу производимой продукции (КПД, производительность) характеризующее ее экономичность.

Увеличение затрат на проектирование и изготовление снижают затраты на обслуживание, расход энергии и др. и наоборот.

Таким образом, обеспечение  качества и экономичности машины в процессе ее создания является общей задачей конструктора, технолога и заказчика.

1.6 Гибкость технологического оборудования

Гибкостью технологического оборудования называют его способность к быстрому переналаживанию для изготовления других, новых деталей (заготовок). Чем чаще происходит смена изготовляемых деталей и чем больше их номенклатура, тем большей гибкостью должна обладать технологическая машина. Гибкость характеризуется двумя показателями: универсальностью и переналаживаемостью. Универсальность определяется числом разных деталей, подлежащих изготовлению на данной машине, т. е. номенклатурой изготовляемых деталей. При этом отношение годового выпуска деталей N к номенклатуре И определяет серийность изготовления s = N/И

Переналаживаемость определяется потерями времени и средств на переналадку технологического оборудования при переходе от одной партии деталей к другой и зависит от числа Р партий деталей, изготовляемых на данном оборудовании в течение года. При этом средний размер партии р = N/P связан с характером производства и с переналаживаемостью оборудования.

1.7 Производительность оборудования

Производительность  технологической машины определяет ее способность обеспечивать изготовление определенного числа деталей (заготовок) в единицу времени. Штучная производительность (шт./год) при непрерывной безотказной работе

Q = To/T

где То — действительный годовой фонд времени; с учетом затрат на ремонт, техническое обслуживание и т.д.; Т — полное время всего цикла изготовления детали.

2. Нагревательное оборудование

Нагрев заготовок  перед обработкой давлением осуществляется в пламенных и электрических печах и электронагревательных устройствах. Пламенные печи являются наиболее распространенными. В них нагревают как мелкие заготовки, так и крупные слитки весом до 300 т.

2.1. Классификация нагревательного оборудования

Нагревательные устройства, в которых получают теплоту для  нагрева металла под обработку  давлением разделяются на пламенные  печи, электрические печи и установки. В свою очередь, пламенные печи подразделяются на горны и печи.

Кузнечный горн является простейшим нагревательным устройством, в котором металл непосредственно соприкасается с горящим топливом. Его используют для нагрева небольших заготовок при ручной ковке. Пламенные печи подразделяют на печи, работающие на твердом, жидком и газообразном топливе. Печи, работающие на твердом топливе, в машиностроении не применяют.

Различают пламенные печи с периодической и непрерывной загрузкой заготовок. В печах с периодической загрузкой, называемый камерными печами, заготовки в процессе нагрева остаются неподвижными, а загружают и разгружают печь через одно и то же окно. В камерных печах температура во всей зоне нагрева заготовок одинаковая. В печах с непрерывной загрузкой заготовок, называемых методическими, заготовки в процессе нагрева передвигаются от окна загрузки к окну выдачи. Температура рабочего пространства в таких печах повышается от места загрузки заготовок к месту их выдачи, в связи с чем обеспечивается их плавный, равномерный нагрев и более экономный по сравнению с камерными печами расход топлива.

По способу использования  теплоты отходящих газов для  предварительного подогрева воздуха, поступающего в печи, их делят на рекуперативные и регенеративные. Предварительный  подогрев воздуха значительно сокращает  расход топлива и продолжительность нагрева.

По конструктивным признакам  печи классифицируют на камерные, щелевые, очковые и др. по механизации загрузки холодных и выдачи нагретых заготовок - с выдвижным подом, толкательные, конвейерные, карусельные и т. д.

2.3 Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы (огнеупоры) — это материалы, изготовляемые на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах. Применяются для проведения металлургических процессов (плавка, отжиг, обжиг, испарение и дистилляция), конструирования печей, высокотемпературных агрегатов (реакторы, двигатели, конструкционные элементы и др).

Огнеупорные материалы  отличаются повышенной прочностью при  высоких температурах, химической инертностью. В качестве огнеупорного материала применяется углерод (кокс, графит). В основном это неметаллические материалы, обладающие огнеупорностью не ниже 1580°C, применяются практически везде где требуется ведение какого-либо процесса при высоких температурах.

Основное св-во огнеупорных  материалов-огнеупор-ность, т.е. способность  материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких т-р.

2.3 Нагревательное оборудование кузнечно  – штамповочного производства.

Кузне́чно-штампо́вочное произво́дство - отрасль тяжёлого машиностроения, производящая различные металлические изделия (от деталей машин до предметов домашнего обихода) ковкой, штамповкой, Прессованием. В основе методов К.-ш. п. лежит способность материалов деформироваться, т. е. изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. Ценность способов К.-ш. п. заключается в том, что при обработке заготовок давлением их форма изменяется в результате перераспределения металла, а не за счёт удаления его излишка, как при обработке металлов резанием, что позволяет резко сократить отходы и одновременно увеличить прочность материала. Поэтому обработка металлов давлением применяется для изготовления наиболее ответственных деталей машин. Так, в самолёте до 80—90%, в автомобиле до 85% деталей (от общей массы) — штампованные. Машины К.-ш. п. более производительны, чем металлорежущие станки. Замена механической обработки штампованием при переработке каждого млн. т проката позволяет экономить до 250 тыс. т металла.

         Для увеличения пластичности при обработке давлением часто применяют нагрев, что позволяет снизить усилия в 10—15 раз по сравнению с обработкой холодной заготовки, а также избежать появления трещин и сократить время операции. В качестве нагревательных устройств в К.-ш. п. используют печи: пламенные (камерные и методические) и электрические (с нагревательными элементами и индукционные).

         2.4 Оборудование термических цехов

Для нагрева мелких и  средних деталей в термических  цехах при индивидуальном и серийном производстве применяют камерные печи, работающие на жидком и газообразном топливе а также с применением электроэнергии. Для печей жидкое топливо используют ограниченно, так как оно имеет большую вязкость. Вследствие этого мазут плохо распыливается даже в подогретом состоянии, плохо смешивается с  воздухом, и поэтому при горении выделяется большое количество дыма. В связи с этим затрудняется автоматизация теплового режима печей и нарушаются санитарно-технические условия в цехе. В настоящее время на заводах печи работают на газообразном топливе. Жидкое топливо используется только при отсутствии газообразного топлива.

Колпаковые печи служат для отжига стальной проволоки и ленты и для термической обработки цветных сплавов. Кол паковые печи могут быть газовые и электрические. Вес загруженных деталей достигает 25 т. Рабочая температура достигает 900° С. При цикле термической обработки (нагрев, выдержка, охлаждение) в 38 ч производительность установки составляет 600 кг!ч, мощность печи 380 кет.

Печь с передвижной камерой предназначена для прочностного и антикоррозионного газового азотирования средне- и крупногабаритных стальных изделий.

Для отжига деталей из магнитных сплавов титана, для  спекания металлических порошков и  для других целей в промышленности применяются вакуумные печи.

Для термической обработки  деталей большой длины применяют газовые шахтные вертикальные печи.

2.5 Приборы для контроля температуры

В автоматических системах измерение и контроль температуры  осуществляют на основе измерения физических свойств тел, функционально связанных с температурой последних. Приборы для измерения и контроля температуры по принципу действия могут быть разделены на следующие группы:

1.1. Термометры для  измерения температуры контактным  методом. 

1.1.1. Термометры расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкости (жидкостные) или твердых тел (дилатометрические, биметаллические).

1.1.2. Манометрические  термометры и преобразователи,  использующие зависимость между  температурой и давлением газа (газовые) или насыщенных паров жидкости (конденсационные).

1.1.3. Термоэлектрические  преобразователи (ТП), работающие  в комплекте со вторичными  приборами или измерительными  преобразователями; принцип действия  основан на измерении термоэлектродвижущей  силы (термоЭДС), развиваемой термопарой (спаем) из двух различных проводников (термоЭДС зависит от разности температур спая и свободных концов ТП, присоединяемых к измерительной схеме).

1.1.4. Термопреобразователи  сопротивления (ТС), работающие в  комплекте со вторичными приборами или измерительными преобразователями различного типа; используют изменение электрического сопротивления материалов (металлов, полупроводников) в зависимости от изменения температуры.

1.2. Пирометры для измерения  температуры бесконтактным методом.

1.2.1. Яркостные пирометры,  измеряющие температуру по яркости  нагретого тела на данной длине  волны. 

1.2.2. Радиационные пирометры  для измерения температуры по  тепловому действию лучеиспускания  накаленного тела во всем спектре  длин волн.

При измерении температуры используют шкалу под названием «Международная практическая температурная шкала 1968 г.» (МПТШ—1968). Единицей температуры является кельвин (К), а также градус Цельсия (°С). Соотношение между ними следующее: t68 = Т68 — 273,15, где t68 — температура в градусах Цельсия; Т68 — температура в Кельвинах.

3. Кузнечно-прессовое оборудование

Кузнечно-штамповочное производство позволяет получать фасонные заготовки, отличающиеся более высокими значениями механических характеристик материала (особенно пластичности и вязкости) по сравнению с полученными литьем, что обеспечивает повышенную надежность деталей.

Госгортехнадзор требует изготовлять  детали, от которых зависят жизнь  и здоровье людей только из заготовок, полученных обработкой давлением.

1. Ковочные молоты

Пневматические  ковочные молоты приводятся электродвигателем. При перемещении поршня воздух сжимается и при открывании кранов подается в рабочий цилиндр. В результате падающие части перемещаются вниз-вверх и наносят удары по заготовке, лежащей на нижнем бойке, закрепленном на массивном шаботе. Масса шабота ковочных молотов в 10—16 раз больше массы падающих частей. Чем больше масса шабота, тем выше КПД. Все части объединены в единое целое станиной.. Эти молоты могут: наносить единичные и автоматические удары регулируемой энергии, осуществлять прижим поковки к нижнему бойку (например, для гибки и скручивания); держать боек 3 на весу и работать на холостом ходу(баба свободно лежит на нижнем бойке). Молоты деформируют металл за счет энергии, накопленной падающими частями к моменту их соударения с заготовкой, пропорциональной массе падающих частей, которая и является энергетической характеристикой этих машин.

Пневматические молоты выпускаются  с номинальной массой падающих частей от 50 до 1000 кг (модели МВ4127 ... М4140А). Область их применения — ковка мелких поковок (средняя масса фасонной поковки 20 кг).

Паровоздушные ковочные молоты по принципу действия похожи на пневматические, но приводятся в действие паром или подогретым сжатым воздухом давлением 0,7—0,9 МПа, поэтому для их работы на заводе требуется наличие котельной или компрессорной. Современные молоты используют пар не только для подъема бабы, но и для нанесения удара, когда пар подается в поршневую полость цилиндра, т. е. являются молотами двойного действия. По конструкции станины они делятся на арочные (например, 1343А), мостовые (например, Ml547) и одностоечные.

Удары верхним бойком по заготовке  наносятся подручным по сигналам кузнеца-бригадира воздействием на золотники с помощью рычагов. У мостовых молотов расстояние между стойками равно нескольким метрам — для обеспечения доступа к бойкам со всех сторон, чтобы было удобнее манипулировать заготовкой и инструментами. Арочные и мостовые молоты имеют массу падающих частей от 1 до 8 т.

2.  Гидравлические ковочные прессы

Гидравлические  ковочные прессы (рис. 2.4, о) являются машинами статического действия, они характеризуются величиной развиваемого усилия.

В СССР строят ковочные прессы усилием 5—125 МН. Область их применения — изготовление крупных поковок в основном из слитков. Пример маркировки: ГШ 1341 (для пресса усилием 12,5 МН). Масса заготовки при ковке может достигать 400 т, поэтому исключительно важна комплексная механизация и автоматизация процесса ковки для исключения тяжелого труда; повышения производительности и точности ковки.

3. Оборудование для горячей объемной штамповки
1. Паровоздушные штамповочные молоты (ПШМ).

ПШМ конструктивно несколько отличаются от ковочных паровоздушных молотов. При штамповке металл, преодолевая сильное сопротивление вытекает из штампа, заполняя заусенечную (облойную) канавку. Удары молота в этот момент гораздо жестче, чем при ковке. В СССР изготовляются ПШМ с массой падающих частей от 0,63 до 25 т.

Инструментом при штамповке  на ПШМ служит штамп. Штамп может иметь от одного до нескольких ручьев. Ручей — совокупность вырезов в верхнем и нижнем штампе, одновременно деформирующих заготовку. Штамп — инструмент специальный, предназначенный для получения только одного типоразмера поковки. На штампе, например, рычага педали дорожного велосипеда нельзя штамповать рычаг педали детского велосипеда (если они неодинаковы). Однако по сравнению с ковкой штамповка обеспечивает значительно более высокую производительность, позволяет получать более сложные, приближенные по формам и размерам к детали поковки, требующие меньшего объема обработки резанием за счет меньших припусков.

Суммируя достоинства  и недостатки штамповки на ПШМ, можно  сказать следующее. ПШМ позволяют  получать поковки с большой разницей площадей поперечных сечений по длине без привлечения другого оборудования. Вследствие отсутствия выталкивателей в штампах ПШМ уклоны на поковках значительны. Современные ПШМ (например, МА2140) имеют выталкиватели в нижнем штампе. Отверстия в поковках имеют перемычки, удаляемые на обрезных прессах. ПШМ требуют для своей работы наличия котельной для производства пара или подогрева сжатого воздуха, получаемого в компрессорной; остальное штамповочное оборудование имеет электрический (в наше время — универсальный) привод. Штамповка на ПШМ требует хорошей подготовки рабочего. Резкие удары ПШМ могут сильно мешать работе соседнего оборудования, сотрясая его, поэтому ПШМ часто устанавливают на амортизаторы-виброгасители. Штамповка на ПШМ в закрытых штампах не требует специальных компенсаторов, так как баба молота может остановиться в любой точке своей траектории после израсходования энергии на деформирование. Ударный характер работы приводит к повышенной опасности для работающих, требует от них повышенного внимания и ведет к повышенной утомляемости, однако делает ПШМ предпочтительными для получения поковок с относительно высокими ребрами.

3.3.2 Бесшаботные с ленточной связью

Бесшаботные молоты с  двусторонним встречным ударом баб, скорость движения которых около 3 м/с, используют для штамповки крупных поковок главным образом в одноручьевых штампах. Энергия удара в бесшаботных молотах используется лучше, их фундаменты в 8-10 раз меньше по размерам, чем фундаменты эквивалентных им паровоздушных штамповочных молотов, при их работе не происходит сотрясения зданий.

Из всех типов бесшаботных  молотов наиболее распространены паровоздушные молоты с ленточной связью баб, управляемые с помощью рукоятки.

Нижняя баба, которая  примерно на 10% тяжелее верхней, при  отсутствии в рабочем цилиндре давления, находится внизу и удерживает верхнюю бабу в крайнем верхнем положении. При рабочем ходе пар поступает в верхнюю полость цилиндра 1 и выпускается из нижней, поршень 2 и шток 3, выполненные заодно с верхней бабой, движутся вниз и лентами поднимают нижнюю бабу вверх.

Соударение баб происходит в середине их общего хода. При подъеме  поршня отработанный пар выпускают  в трубопровод на выхлоп. Некоторые  конструкции бесшаботных молотов  имеют по два рабочих цилиндра для синхронного независимого привода  баб.

3. Винтовые прессы (ВП).

 ВП устроены следующим образом Ротор  с винтом вращается электромагнитными силами. Винт фиксирован в осевом направлении, поэтому при его вращении невращающаяся гайка  перемещается вверх и вниз вместе с ползуном, жестко связанным с гайкой и двигающимся в направляющих станины вместе с выталкивателем  нижнего штампа. Новые прессы имеют устройство программирования энергии серий ударов; в их ползуне может быть установлен верхний выталкиватель (механический).

Комплексы на базе винтовых прессов обеспечивают перемещение Заготовки в индукционный нагреватель, подачу нагретой заготовки в штамп, удаление в тару поковки и смазку штампа.

ВП имеют в начале деформирования достаточно большую  скорость ползуна (3—4 м/с), поэтому их иногда относят к молотам. Однако технологически она ближе к прессам. Поэтому ВП характеризуют развиваемым ими усилием. В одном ручье штампа по поковке может наноситься несколько ударов; отсутствует опасность заклинивания; закрытые штампы не нуждаются в компенсаторах.

Конструкция ВП не допускает значительных эксцентричных нагрузок, поэтому их применяют преимущественно для одноручьевой торцевой штамповки в открытых и закрытых штампах, для гибки, правки, обрезки, чеканки, калибровки, листовой штамповки. Наличие нижнего выталкивателя расширяет номенклатуру штампуемых изделий. ВП просты по конструкций, в наладке и обслуживании обеспечивают стабильную точность поковок. Они широко применяются в мелкосерийном и серийном производстве (благодаря простоте наладки и обслуживания и низким затратам на переналадку штампов), а также в массовом, в составе комплексов. ВП широко применяются для точной штамповки турбинных лопаток, дисков, шестерен, сложных деталей с отростками (в закрытых штампах с разъемной матрицей).

3.3.4 Специализированные кузнечные машины

3.3.5 КГШП

Кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). КГШП приводятся от электродвигателя. Скорость движения ползуна КГШП примерно в 10 раз меньше, чем у ПШМ и главной характеристикой КГШП является развиваемое им усилие.

Неударный характер работы КГШП влечет за собой некоторые последствия. Хуже заполняются тонкие глубокие полости в штампе. Хуже чем на ПШМ отделяется окалина, что делает необходимым введение механической очистки или гидроочистки либо применение безокислительного и малоокислительного нагрева. Штампы КГШП изготовляются сборными. Каждый ручей изготовляется в своей паре вставок. Каждую пару вставок можно использовать до полного ее изнашивания. После изнашивания чистового ручья штампа ПШМ в ремонт идет весь штамп. Фундаменты КГШП не столь мощны, как у ПШМ, здания прессовых цехов могут быть более легкими и дешевыми, сотрясение при работе КГШП значительно слабее и поэтому не так вредно сказывается на работе окружающего оборудования, как сотрясение при работе ПШМ. Отсутствие шума и сотрясений снижает утомляемость работающих. Работа на КГШП более безопасна и требует менее высокой квалификации, чем на ПШМ. Верхний и нижний штампы КГШП имеют выталкиватели, что позволяет уменьшить уклоны на поковках, тем самым экономя металл и уменьшая стоимость обработки резанием.