Сборник задач по курсу "Технология конструкционных материалов"

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 

СБОРНИК ЗАДАЧ ПО КУРСУ 
 «ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ 
 МАТЕРИАЛОВ» 

 

Под редакцией В.П. Ступникова, В.Д. Винокурова 

 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
 в качестве учебно-методического пособия 
 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7 

УДК 620(075.8) 
ББК 30.3 
С23 

Рецензенты: Н.В. Коробова, И.А. Дибров 

С23     Сборник задач по курсу «Технология конструкционных  
материалов: Учеб.-метод. пособие / А.И. Легчилин, Т.Н. Бар- 
сукова, В.Д. Винокуров и др.; Под ред. В.П. Ступникова,  
В.Д. Винокурова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 
171 с.: ил.  

ISBN 5-7038-2940-2 

Приведены эскизы машиностроительных деталей и рассмотрены примеры решения технологических задач по разработке конструкции и технологии получения заготовок (отливок, поковок, 
штампованных оболочек и т. п.) и способов механической обработки заготовок. 
Для студентов и преподавателей высших технических учебных 
заведений. 
Ил. 78. Табл. 35. Библиогр. 6 назв.  

УДК 620(075.8) 
                                                                                          ББК 30.3 

ISBN 5-7038-2940-2 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

При проектировании конструкции машин и приборов инженер должен создать конструкцию с заданными эксплуатационными свойствами и учесть особенности технологии изготовления 
деталей. Значение этой задачи возрастает при изготовлении комбинированных деталей (например, с использованием отливок, 
поковок, проката, соединяемых сваркой, пайкой, склеиванием, 
склепыванием). 
Технология конструкционных материалов (ТКМ) связывает 
параметры конструирования машиностроительных деталей и технологии их изготовления, устанавливает требования для обеспечения заданных технологических и эксплуатационных свойств машиностроительных деталей и заготовок для них. 
В предлагаемом задачнике рассмотрена последовательность 
разработки конструкции заготовок, технологии их изготовления и 
механической обработки. 
Первая и вторая главы посвящены соответственно решению 
технологических задач по разработке технологии изготовления 
поковок и штампованных оболочек. 
В третьей главе рассмотрены примеры разработки технологии 
изготовления чугунных отливок литьем в песчаные формы. 
Четвертая и пятая главы посвящены соответственно выбору вида заготовки для механической обработки и собственно механической обработке типовых поверхностей заготовок деталей машин. 
В шестой главе приведены вопросы для самопроверки. 

1. ШТАМПОВАННЫЕ ПОКОВКИ 

Конструкция детали зависит от технологических особенностей, 
способов и методов получения заготовки. 
Если все поверхности деталей формируются только за счет механической обработки, то расход материала увеличивается, вероятно удорожание деталей, снижение прочности, надежности и долговечности. Конструирование детали без учета технологических 
требований к форме заготовки особенно нежелательно при ее изготовлении из штампованной поковки, когда необходимость разъема частей штампа и извлечения из них поковки накладывает целый ряд ограничений на ее форму. Поэтому форму детали следует 
приближать к форме поковки, являющейся заготовкой для 
последующей механической обработки. 
Идеальная заготовка для последующей механической обработки имеет только припуски на сопрягаемых поверхностях. На реальной заготовке помимо этого существуют дополнительные объемы металла, зависящие от способа штамповки. 

1.1. Методика решения технологической задачи 

Задан эскиз машиностроительной детали, изготовляемой только 
механической обработкой резанием, с указанием поверхностей, сопрягаемых с другими деталями. Необходимо выбрать рациональный способ штамповки заготовки для этой детали и разработать эскиз поковки. 
Для выполнения задачи необходимо: 
– выбрать поверхность (или поверхности) разъема; 
– в соответствии с выбранной поверхностью представить эскиз 
поковки с технологическими припусками и напусками; 
– определить диаметр заготовки, которую можно центрировать 
в нижней полости штампа; 
– определить (из равенства объемов) длину (высоту) заготовки, 
удобной для штамповки на последнем штампе (ручье); сравнить ее 
с длиной, рекомендуемой при резке сортового проката на прессножницах; 

– если сравниваемые длины отличаются более чем на 50 %, то 
назначить дополнительную операцию «осадка»; 
– выбрав другие технически возможные поверхности разъема, 
представить эскизы поковок с припусками и напусками; 
– сопоставить формы поковок и по суммарной массе (приблизительно) припусков и напусков выбрать рациональный способ 
штамповки; 
– построить чертеж детали, изготовленной из поковки, штампованной выбранным способом, с соответствующей ему формой и 
размерами несопрягаемых поверхностей. 

Выбор поверхности разъема штампов 

За редким исключением штампы имеют одну, реже две поверхности разъема. При штамповке на большинстве видов оборудования 
(прессы, молоты) штампы имеют одну поверхность разъема. Две 
поверхности разъема имеют штампы горизонтально-ковочных машин (ГКМ), горячештамповочных и холодновысадочных автоматов. 
Наличие второй поверхности разъема обеспечивают дополнительно 
встроенным механизмом, что удорожает оборудование и полученные 
на нем поковки. Стоимость штамповки на ГКМ, например, в 1,5 раза 
больше стоимости штамповки на прессе.  
Плоскость (поверхность) разъема штампов должна располагаться так, чтобы поковку можно было извлечь из штампа при небольших технологических напусках. Если это невозможно, назначают напуски, упрощающие форму поковки за счет устранения 
полостей, отверстий, поднутрений, канавок и пр. 
Желательно, чтобы плоскость разъема совпадала с плоскостью 
двух наибольших габаритных размеров детали; при этом полости 
штампа будут иметь наименьшую глубину. 
Полости (отверстия) в поковке можно получить, если их оси 
будут перпендикулярны плоскости разъема (или направлению перемещения одной из половин штампа). 

Технологические напуски 

Кроме напусков, упрощающих форму детали, для возможности 
извлечения из штампа поковка должна иметь уклоны на поверхностях, параллельных направлению перемещения частей штампа. На 
сопрягаемых поверхностях штамповочные уклоны назначают 
сверх припуска на механическую обработку. 
Размеры штамповочных уклонов зависят от расположения поверхности, глубины полости штампа и ее формы, от вида штампо

вочного оборудования и пр. По расположению поверхности различают наружные и внутренние уклоны. Уклон α на наружной поверхности поковки больше уклона β на внутренней. Это связано с 
различными условиями охлаждения наружной и внутренней поверхности. Глубина полости характеризуется отношением глубины 
к ширине (h/d). Наличие верхних и нижних выталкивателей (у кривошипных горячештамповочных прессов – КГШП) или второй поверхности разъема (у горизонтально-ковочных машин – ГКМ)  
позволяет уменьшать штамповочные уклоны. Вместе с тем штамповочные уклоны имеют стандартные значения, так как при изготовлении штампов полости фрезеруют стандартным набором инструмента. Ориентировочно уклоны выбирают по табл. 1. 

Таблица 1 

Штамповочные уклоны при горячей объемной штамповке 

Молотовой штамп 
Штамп для КГШП
Штамп для ГКМ 
Относительная 
глубина полости 
h/d 
α 
β 
α 
β 
α 
β 

До 1 (включит.) 
3 
5 
1 
3 
0,5 
0,5 

Свыше 1 до 2,5 
5 
7 
2 
5 
0,5 
1,5 

» 2,5 
7 
10 
3 
7 
0,5 
3,0 

Радиусы скругления 

Для облегчения удаления поковки из штампа и для повышения 
его стойкости на всех переходах назначают радиусы скругления 
(для наружных углов они в 2…4 раза больше, чем для внутренних). На поверхностях с припуском на механическую обработку 
минимальный радиус скругления равен припуску. Если пересекающиеся поверхности на поковке не подвергают дальнейшей механической обработке, то минимальные радиусы скругления на 
наружных поверхностях принимают равными h (2…4). Следует 
помнить, что, назначая минимальные радиусы скругления, мы заведомо ухудшаем условия штамповки и качество поковок (значительно увеличиваются удельные силы на штампе, затрудняется 
перемещение металла внутри штампа, уменьшается стойкость 
штампов, увеличивается опасность возникновения разрывов по 
всему объему поковки и т. д.). Если в детали радиусы скруглений 
отсутствуют, то назначение радиусов скруглений в поковке приводит к необходимости предусматривать дополнительные технологические напуски. 

Отверстия 

В штампах с одной плоскостью разъема сквозное отверстие 
нельзя получить за один переход, поэтому в отверстии приходится 
оставлять технологический напуск – пленку (наметку) под последующую прошивку. Минимальная толщина пленки должна составлять около 0,1 от диаметра отверстия; располагается она обычно 
чуть ниже плоскости разъема штампов. Отверстия менее 30 мм не 
прошивают (не прошивают также те отверстия, ось которых не совпадает с направлением перемещения инструмента). Вместо таких 
отверстий назначают технологический напуск. Для увеличения 
стойкости штампа часто назначают напуск на тонкие высокие ребра 
в виде длинных отростков с небольшим поперечным сечением. 

Припуски на механическую обработку 

При горячей объемной штамповке получают поковки, высота 
микронеровностей на поверхности которых составляет 80…320 мкм. 
Хотя после последующей обработки (например, метанием дроби), 
высота микронеровностей уменьшится, точность поковок от этого не 
увеличится. Для получения поверхностей с заданной на эскизе точностью и шероховатостью проводят последующую механическую обработку (для этого и нужен дополнительный слой материала – припуск на механическую обработку). 
Величина припуска зависит от многих факторов – массы поковки, 
ее габаритных размеров, формы, материала, заданной точности детали и т. д. Приблизительно припуск можно выбрать по табл. 2. 

Таблица 2 

Усредненные припуски на механическую обработку 

Размер детали, на который ищут припуск на механическую 
обработку, мм (припуск на одну сторону) 
Масса поковки, 
кг 
До 50 Свыше 
50 до 120
Свыше
 120 до 180
Свыше
 180 до 260
Свыше  
260 до 360 
Свыше  
360 до 500 

До 0,25 (включит.) 
0,9 
1,0 
1,2 
1,3 
1,5 
Нет 

Свыше 0,25 до 0,63 1,1 
1,2 
1,4 
1,5 
1,7 
2,0 

» 0,63 » 1,6 
1,3 
1,4 
1,6 
1,7 
1,9 
2,2 

» 1,6 » 2,5 
1,5 
1,6 
1,8 
1,9 
2,1 
2,4 

» 2,5 » 4,0 
1,7 
1,8 
2,0 
2,1 
2,3 
2,6 

» 4,0 » 6,3 
1,9 
2,0 
2,2 
2,3 
2,5 
2,8 

» 6,3 » 10,0 
2,1 
2,2 
2,4 
2,5 
2,7 
3,0 

» 10,0 » 16,0 
2,3 
2,4 
2,6 
2,7 
2,9 
3,2 

» 16,0 » 25,0 
2,5 
2,6 
2,8 
2,9 
3,1 
3,4 

Построение элементов контура поковки 

Рассмотрим некоторые принципы построения контура поковок 
на пересекающихся поверхностях с образованием острых ребер и 
углов (т. е. радиусы скруглений отсутствуют). Примем во внимание, 
что поковку невозможно изготовить без технологических радиусов.  
На рис. 1 показаны три варианта для выступающих элементов 
поковок (не тел вращения).  

Рис. 1. Примеры построения контура поковки с учетом припуска на механическую обработку и технологического радиуса скругления поковки:  

а–в – внешний контур; г–ж – внутренний 

    а                              б                            в

          г                                                 д

            е                                                 ж

Припуск на механическую обработку находится на левой 
боковой поверхности (рис. 1, а) перпендикулярно ей. Технологический радиус нельзя образовывать за счет уменьшения припуска. Поэтому его назначают равным припуску r = h, из-за чего 
на смежной поверхности образуется технологический напуск, 
равный по величине припуску. Правая и торцевая поверхности 
поковки не имеют припусков, поэтому максимальный радиус 
скругления между ними равен R = (2…4)h (из условия равенства 
припусков и напусков на всех трех поверхностях). При торцевом расположении припуска (рис. 1, б) оба радиуса имеют минимальное значение. При отсутствии припусков на всех трех 
поверхностях (рис. 1, в) радиусы можно выбирать исходя только 
из технологических требований, что приведет к увеличению напусков. 
На рис. 1, г–ж показаны четыре варианта построения контура 
поковки для углублений (отверстий) и смежных с ними поверхностей (R – радиус, назначаемый только из требований технологии штамповки). 

Выбор размеров заготовки 

Заготовку, как правило, отрезают от прутков сортового проката 
длиной 5…6 м. Резку проката легче проводить при наименьшей 
площади его поперечного сечения. Наиболее производительный 
способ резки – на пресс-ножницах. Наибольший разрезаемый диаметр заготовки (из пластичного материала) равен 150 мм. Заготовки из менее пластичного материала с большим диаметром ломают 
на хладноломах. В обоих случаях торцевые поверхности заготовок 
сильно искажаются. Поэтому отношение длины заготовки к ее 
диаметру должно быть больше единицы, чтобы не очень значительно искажать общую форму заготовки. Если нужна относительная короткая заготовка с плоскими торцами (а последующая 
осадка не предусматривается), то для разделения проката используют механические пилы или абразивные круги (заготовки небольшого диаметра). Полагают, что объем металла при штамповке 
не меняется. Объем заготовки больше объема детали на величину 
объемов припусков на механическую обработку, технологических 
напусков (в том числе заусенцев и пленок под прошивку), окалины 
(если не применяют безокислительный нагрев), поэтому точный 
расчет объема заготовки сложен. Ориентировочно будем считать 

при штамповке с заусенцем (при выборе припусков на механическую обработку): 

Vзаг = 1,3Vдет. 

При штамповке без заусенца 

Vзаг = 1,1Vдет. 

Масса заготовки: 

mзаг = Vзаг ρ, 

где ρ = 7850 кг/м3 – плотность стали. 
Диаметр заготовки при штамповке в торец выбирают таким, 
чтобы она фиксировалась (центрировалась) в нижней половине 
штампа (на прессе и молоте). При ГКМ диаметр заготовки совпадает с минимальным диаметром поковки или сквозным отверстием 
в поковке. 
При известном объеме и диаметре нетрудно рассчитать высоту 
заготовки: 

заг
заг
2
заг

4V
h
D
=
π
. 

Если относительная высота заготовки получается маленькой 
(h/D < 2,2…2,5), то при резке на пресс-ножницах бóльшую часть 
объема заготовки будут составлять искаженные и поврежденные 
при резке ее торцевые части. Поэтому рекомендуют резать заготовки максимальной (как позволяет последующая осадка) длины, 
т. е. h/D = 2,5. При осадке высокой заготовки до нужного диаметра осыпается окалина (уменьшается шероховатость поверхности 
поковки), исправляются последствия торцевых искажений. Таким 
образом, диаметр заготовки для резки определяют так: 

заг
3
заг
заг
заг

4
/
V
D
h
D
=
π
, 

где hзаг/Dзаг = 2,5, а высоту заготовки – по вышеприведенной формуле.