Машиностроительные заводы производят широкий спектр машин и оборудования для металлообрабатывающего, металлургического, энергетического, горно-шахтного, нефтехимического комплекса и других отраслей. Таким образом машиностроение является ключевым фактором, который обеспечивает качественную работу других смежных отраслей промышленности. Поскольку наиболее металлоемкими являются металлургическое и металлообрабатывающие направления, рассмотрим некоторые аспекты изготовления металлообрабатывающих машин более подробно.
Назначение и условия работы металлобрабатывающих машин
Металлообрабатывающие машины состоят из различных механизмов и устройств, объединяемых в единый агрегат с помощью неподвижных деталей несущей системы: станин, оснований, плит, рам, стоек, колонн и других элементов. Общая масса деталей несущей системы достигает 80-90% массы всей машины. Эксплуатационная надежность, требуемая точность обработки, циклы изготовления, себестоимость и другие важнейшие показатели изготовления и эксплуатации агрегатов в значительной мере определяются конструкцией и технологией изготовления станинных деталей.
Станины работают в основном в условиях нормальной температуры при повторно-статических нагрузках и могут подвергаться также динамическим и циклическим нагрузкам. В отдельных случаях необходимо учитывать возможность работы при повышенных (300-350° С) или пониженных температурах (на открытых площадках).
Ранее станины изготовляли в основном из чугунного или стального литья. Благодаря успехам в развитии сварочного производства, создалась возможность производства сварных станин любой практически целесообразной конфигурации и массы.
Целесообразность применения сварных станин вместо литых определяется технико-экономическими показателями, учитывающими конкретные особенности предприятия, которому предстоит организовать выпуск необходимых деталей.
Учитывая многообразие конструкций и условий их производства, не может быть однозначных рекомендаций по переводу литых конструкций на сварные для всех типов машин.
Рабочему проектированию новых машин должен предшествовать технико-экономический анализ возможных технологических решений с целью экономического обоснования выбора сварной конструкции вместо литой. Такой анализ является первым этапом конструктивно-технологического проектирования сварных станин.
Несущая система машин компонуется из деталей с различным соотношением размеров. Детали, у которых одно измерение значительно больше, чем два других, составляют класс различных балок, детали, у которых два измерения больше, чем третье, составляют класс различных плит, детали, у которых все три размера имеют одинаковый порядок, составляют многочисленный класс станин, оснований, коробок, стоек и т. п.
За редким исключением, общим требованием технических условий на проектирование для всех этих конструкций является обеспечение необходимой жесткости в процессе эксплуатационных нагрузок. Как правило, при удовлетворении требований жесткости обеспечиваются и прочностные требования.
Оптимальными, с точки зрения жесткости, следует считать конструкции, имеющие минимально допустимую из технологических соображений толщину стенок, оптимальную форму поперечного сечения и его размеры, определяемые требуемой жесткостью.
В этом отношении сварные конструкции представляют определенные преимущества, так как при тех же габаритах, но при меньшей массе они могут быть выполнены более высокой жесткости, чем литые.
В связи с тем, что по мере увеличения количества привариваемых элементов возрастает конструктивная и технологическая сложность изготовляемой сварной конструкции, необходимо стремиться к рациональному расчленению крупногабаритных конструкций на отдельные простые сварные узлы и подузлы. Одновременно такое расчленение позволяет рассмотреть вопрос применения кованых, литых или штампованных элементов в сварной конструкции.
Точность размеров станин, оснований и других деталей несущей системы достигается, как правило, последующей механической обработкой. Отклонения геометрической формы сварного изделия, возникающие в результате выполнения заготовительных, сборочных и сварочных работ ориентировочно регламентируются техническими условиями и РТМ на изготовление различного типа конструкций.
Например, для изделий размером 1000х1000 мм неприлегание к плите не должно превышать 2,5 мм, а 10 000 х40 000 - 10-11 мм; для балок и ферм стрела прогиба при длине до 500 мм не должна превышать 1 мм, а длиной 25 000 и более мм - 15 мм и т. д. Подобным же образом в зависимости от размеров сечения ограничивают и величины перекоса и смещения одного элемента относительно другого. Так, для соединения листов одинаковой толщины встык смещение кромок не должно превышать 0,1 толщины листа, но не более 4 мм.
Знание величины предельных отклонений позволяет обоснованно назначать припуски на последующую механическую обработку. Кроме того, их соблюдение обеспечивает уверенность в том, что условия работы изделий оказываются близкими к условиям, принятым в расчете.
Сохранение необходимой точности сварных конструкций связывается также с применением термообработки после сварки.
Большое количество факторов, определяющих работоспособность и надежность сварных конструкций не позволяет дать общие рекомендации относительно необходимости термообработки или возможности отказа от нее.
Термообработку станинных сварных деталей назначают в тех случаях, когда установлено, что работоспособность и надежность конструкции в состоянии после сварки не обеспечивается другими средствами и что применение термообработки даст положительный результат.
Следует принять за правило не назначать термообработку для тех конструкций, для которых имеется многолетний положительный опыт эксплуатации их без термообработки в аналогичных условиях или для вновь проектируемых конструкций, для которых имеется прототип, подтверждающий надежность ее работы без термообработки после сварки.
Применительно к станинным конструкциям термообработку после сварки на машиностроительном заводе следует назначать преимущественно в двух случаях:
- если доказано, что перераспределение остаточных напряжений при механической обработке или при действии эксплуатационных нагрузок приводит к недопустимым деформациям;
- если существует опасность возникновения хрупкого разрушения сварной конструкции из металла большой толщины с острыми конструктивными или технологическими концентраторами напряжений.
В спорных случаях, отпуск при температурах 630-650 °С сварных станинных конструкций следует признать, безусловно, полезной операцией, так как уменьшение величины остаточных напряжений для реальных конструкций является фактором более существенным, чем возможное некоторое уменьшение предела выносливости основного металла после отпуска.
Выбор материала на машиностроительном заводе
Выбор марки стали проката, поковок и отливок для сварных конструкций определяется соответствующими стандартами.
В тяжелом машиностроении принято разделение сталей по свариваемости на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся и плохо сваривающиеся.
При изготовлении станин и оснований рекомендуется использовать в основном только хорошо сваривающиеся стали и, в отдельных случаях, - удовлетворительно сваривающиеся, применение которых не требует подогрева при сварке, а при его необходимости температура подогрева является минимальной.
Применение этих сталей не должно также требовать назначение термообработки по условиям прочности, а лишь с целью снятия напряжений при отсутствии ограничения времени между окончанием сварки и термообработкой.
При использовании низколегированных конструкционных сталей необходимо учитывать, что наибольший экономический эффект от применения таких сталей может быть получен в изделиях, преобладающими напряжениями в которых являются растягивающие. При этом применение низколегированных сталей в станинных деталях может быть допущено лишь в тех случаях, когда за этим не следует усложнения технологии производства.
Для второстепенных и слабонагруженных конструкций рекомендуется применять углеродистые спокойные, полуспокойные и кипящие стали Ст2 и СтЗ. При температурах до - 20о С сталь СтЗ используют и для изготовления несущих конструкций.
В сварных конструкциях, где применен мелкий и средний прокат из фасонных профилей толщиной до 16 мм и листы толщиной до 20 мм, полуспокойную сталь можно применять наравне со спокойной. По показателям свариваемости, стойкости против кристаллизационных трещин в швах, склонности к образованию пор, относительному повышению твердости в околошовной зоне для вышеуказанных толщин сталь ВСтЗГПС5 практически не отличается от спокойной стали.
В толстых профилях полуспокойная сталь несколько уступает по порогу хладноломкости спокойной стали. Применение полуспокойных сталей в этих случаях следует ограничить конструкциями, которые эксплуатируют при температуре не ниже - 5°С. Кипящие стали обладают значительно большей склонностью к хрупкому разрушению, чем спокойные стали. Ввиду своеобразного распределения в этих сталях вредных примесей, сказывающихся на образовании горячих трещин при сварке, необходима тщательная проверка основного металла на содержание углерода и серы, отбраковка металла, имеющего ярко выраженную строчечную структуру.
Для ответственных несущих конструкций рекомендуются конструкционные стали марок 15 и 20 по ГОСТ 1050-74. При этом в стали марки 20 следует ограничить верхний предел углерода до 0,22%. Допускается применять горячекатаные стали для мостостроения по ГОСТ 6713-53 и сталь углеродистую листовую для котлостроения марок 15К и 20К по ГОСТ 5520-69; стали этих марок должны поставляться с контролем по свариваемости и проверкой ударной вязкости при отрицательной температуре, соответствующей температуре эксплуатации.
При оформлении комбинированных конструкций из литья, поковок и проката необходимо стремиться к применению сталей близкого химического состава.
Для комбинированных сварных конструкций рекомендуются отливки из стали 20Л и 25Л по ГОСТ 977-65. Стали марок ЗОЛ и 35Л, хотя и относятся к удовлетворительно сваривающимся, однако применение их не рекомендуется в конструкциях, подверженных вибрационным и динамическим нагрузкам, так как из-за структурной неоднородности основного металла и шва значительно снижается предел выносливости сварного соединения. Это относится в особенности к изделиям больших толщин, ручную, автоматическую и полуавтоматическую сварку которых требуется производить с подогревом до 250-350 °С.
Некоторые узлы оборудования (колонны, рамы установок для вакуумирования стали и др.) в процессе эксплуатации подвержены воздействию теплосмен при 300-350 °С, а также воздействию отрицательных температур до - 50 °С.
Для таких конструкций рекомендуются низколегированные стали марок 09Г2С(М), 10Г2С1, 10ХСНД, 15ХНМ и др. по ГОСТ 5058-72, которые обладают достаточной для указанных темпе
ратур теплостойкостью, более низким порогом хладноломкости, более высокими прочностными свойствами, чем у низкоуглеродистых сталей и удовлетворительной свариваемостью.
Генеральное конструктивное оформление сварных станинных деталей обычно диктуется опытом изготовления предшествующих машин данного типа. Напротив, выбор формы поперечных сечений элементов, расположения и типа сварных соединений определяется параметрами и конструктивными особенностями конкретной проектируемой машины.
Так, при расчете на машиностроительном заводе станин прокатных станов необходимо учитывать, что станины станов холодной прокатки, а также чистовых клетей сортовых станов горячей прокатки, должны обладать не только достаточной прочностью, но и необходимой жесткостью. В том случае, когда соблюдается требование прочности, но имеется сомнение в надлежащей жесткости клети, можно идти, при достаточном обосновании, на некоторое увеличение сечений и тем самым на увеличение запаса прочности.
По данным ряда исследований рабочих клетей тонколистовых станов горячей и холодной прокатки жесткость станин по сравнению с жесткостью других сопряженных с ними деталей очень велика. По этим данным деформация станины составляет всего лишь 10-12% от общей деформации клети. Следовательно, даже при значительном увеличении жесткости станины общая жесткость клети может быть увеличена не более чем на 10-15%, что может и не привести к повышению точности прокатки.
Поэтому в большинстве случаев завышение массы станины при конструировании в целях достижения большей жесткости клети и большей точности прокатки не оправдано, что создает предпосылки для применения сварных облегченных станин с практически необходимой жесткостью. Имеются примеры расчетов, показывающие, что если деформация стоек станины не превышает 5% деформации всей клети, то снижение массы станины на 10% за счет сечения стоек практически не приводит к изменению точности прокатки.
В связи с этим, при проектировании новых сварных станин прокатных станов облегченного типа прежде всего необходимо стремиться к определению удельного веса деформации станины в общей деформации клети. С учетом допустимой неточности прокатки определяется оптимальная жесткость клети, достигаемая уменьшением поперечного сечения стоек.
Сварная станина шлифовального станка представляет собой сварную конструкцию коробчатого сечения. Для увеличения продольной и крутильной жесткости расчетное сечение сварной станины выполнено в виде замкнутого коробчатого контура.
При разработке расчетной схемы нагружения станины станка принимают во внимание нагрузки, действующие на станину в зависимости от усилия резания и массы подвижных частей станка, базирующихся на направляющих станины .
На основе принятых методик определяют требуемую жесткость расчетного сечения сварной станины, конфигурацию и толщину стенок сечения. При этом габаритные размеры сечения принимают по нормам станков данного типа.
Исходя из особенностей нагрузки станины создаются различные расчетные схемы по оценке влияния отдельных конструктивных факторов на жесткость конструкции. При выборе формы поперечного сечения элементов станин рекомендуется исходить из того, в какой степени конструкция подвергается воздействию изгибающих или скручивающих усилий. Так как сварные детали станины проектируют в основном из сочетаний тавровых и коробчатых элементов, то необходимо учитывать, что при кручении жесткости открытого и замкнутого сечения сильно различаются.
При уменьшении толщины стенок требуемую жесткость можно получить посредством постановки ребер. К сожалению, опубликовано чрезвычайно мало систематизированных данных по влиянию конструктивных элементов сварных конструкций на статическую жесткость.
Определение жесткости сечений с ребрами расчетным путем является сложной и в ряде случаев невыполнимой задачей. В связи с этим возрастает роль опытных данных испытания натурных конструкций или моделей.
В балках без вырезов при приложении распределенной нагрузки ребра будут оказывать влияние на повышение жесткости только в том случае, если увеличивается осевой момент инерции.
При кручении целесообразно размещать ребра таким образом, чтобы получилось равномерное распределение напряжений сдвига по замкнутому сечению.
В местах приложения сосредоточенных сил рекомендуется устанавливать ребра близко одно к другому. Диагонально расположенная система ребер отличается повышенной жесткостью при кручении. Продольные сквозные диагональные ребра, с одной стороны, повышают сопротивление при кручении, а с другой - обеспечивают равномерное распределение усилий по стенкам балки.
Проанализированы формы и соотношения размеров элементов типа стоек станков с выводами, имеющими общее значение для таких типов конструкций:
в большинстве случаев наиболее рациональными оказываются сечения с одинаковой толщиной стенок контура. В тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую жесткость на изгиб только относительно одной оси, при одинаковых габаритах более рациональными оказываются сечения, у которых толщина стенок, перпендикулярных плоскости изгиба, больше, чем остальных. При действии силы в плоскости одной из стенок, если поперечное сечение стойки может искажаться, оказывается выгодным увеличивать толщину нагруженной стенки;
влияние перегородок на жесткость стоек при изгибе, а при отсутствии искажения контура и при кручении, весьма незначительно. При искажении контура поперечного сечения введение перегородок устраняет это явление и тем самым многократно повышает жесткость;
оптимальным можно считать такое количество перегородок, при котором расстояние между перегородками примерно равно высоте нагруженной стенки;
вырезы стенок обуславливают значительное понижение жесткости стойки, которое труднее оценить расчетным путем. Желательно выбирать по возможности большее расстояние от выреза до места приложения сил. Усиления по краям вырезов целесообразно жестко соединять с поперечными ребрами.
Исследования токарных станков показали, что правильно спроектированные сварные конструкции наряду с экономическими преимуществами отличаются также лучшей виброустойчивостью по сравнению с литыми конструкциями.
Для динамически жесткого корпуса требуется высокая частота собственных колебаний, которую в сварной конструкции можно обеспечить увеличением жесткости при незначительной массе. В литой конструкции большую жесткость достигают только за счет увеличения толщины стенок, т. е. за счет увеличения массы.
При сложных натурных испытаниях требуется изыскание методов получения информации, необходимой для расчетов.
Технологии сварки на машиностроительном заводе
Способ сварки выбирают на стадии проектирования конструкции. При изготовлении станин и деталей несущей системы стационарных машин применяют в основном ручную дуговую сварку, полуавтоматическую и автоматическую сварку под флюсом, в среде СО2 и электрошлаковую сварку. Все эти способы сварки обеспечивают необходимый уровень прочностных свойств при сварке деталей станины из углеродистых и низколегированных сталей. В связи с этим выбор способа сварки диктуется только конструктивно-технологическими особенностями конструкции и экономическими соображениями.
Необходимо стремиться к тому, чтобы ручная дуговая сварка покрытыми электродами применялась бы в ограниченном количестве лишь в тех случаях, когда невозможно или экономически невыгодно применение механизированных способов сварки. Конструкция и технология должны создавать возможность производства сварочных работ предпочтительно в нижнем положении. Нижнее положение открывает больше возможностей для механизации сварочных работ с применением полуавтоматических способов.
Роль рационально выбранной еще на стадии проектирования схемы сборки и сварки настолько велика, что она в основном и определяет возможность производства той или иной сложной сварной конструкции. Особое значение приобретает эта схема при сварке изделий из толстого проката и массивных литых и кованых деталей, так как неправильно выбранная схема может привести к трудно исправимому браку отдельных элементов конструкции и значительно увеличить сроки изготовления всего изделия в целом.
Расчленение сложной сварной конструкции на отдельные элементы позволяет организовать их параллельное изготовление на различных производственных участках с применением автоматических методов сварки, что в конечном счете сокращает цикл изготовления станины в целом.
Так, например, при проектировании и изготовлении станин ножниц была принята следующая схема сборочно-сварочных работ:
- стойка станины при проектировании была расчленена на две полустойки с целью обеспечения возможности осуществления электрошлаковой сварки;
- полустойки были спроектированы так, чтобы замыкающие швы также можно было бы выполнить электрошлаковой сваркой;
- приварка к станине всех остальных элементов полуавтоматической сваркой под флюсом проводилась после сварки двух полустоек.
Такая схема позволяет уменьшить общую деформацию конструкции после сварки и изготовить станину с минимальными припусками на обрабатываемых после сварки плоскостях.
Примерами успешного решения вопросов сборки и сварки на машиностроительном заводе еше на стадии проектирования являются станины механических прессов усилием 4000, 6000 и 8000 тс, спроектированных и изготовленных на Новокраматорском машиностроительном заводе.
Контроль качества сварки на машиностроительном заводе
В крупных станинных конструкциях наиболее часто применяют сварные соединения большой толщины.
Швы толщиной 100 мм и более доступны гаммаграфированию, но чувствительность этого метода в данном случае оказывается очень низкой. Применение бетатронов позволяет разрешить эту задачу, но высокая стоимость оборудования затрудняет повсеместное их применение.
Как показал опыт производства, ультразвуковая дефектоскопия является наиболее надежным средством контроля элементов большой толщины. При возрастании толщины, в связи со значительным уменьшением чувствительности, контроль рекомендуется вести, как правило, прямым лучом с обеих поверхностей изделия. При толщине металла не более 100 мм допустим контроль однократно отраженным лучом с одной поверхности соединения, если нет доступа к противоположной поверхности сварного соединения.
В сварных станинах широко применяют угловые сварные швы. Ультразвуковая дефектоскопия является единственным методом, выявляющим в угловых швах тавровых и крестовых соединений трещины с раскрытием менее 0,2 мм и тонкие непровары в корне шва.
Добавить свое объявление
...
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ