2.3.2 Обобщённая схема технологического процесса изготовления деталей из металлов и сплавов

В основе производственных процессов изготовления деталей самолета лежат многочисленные технологические процессы, представляющие собой целенаправленные действия по изменению и (или) последующему определению состояния предметов труда.

В силу огромного разнообразия конструкций деталей, особенностей обработки конкретных материалов и многих других факторов количество вариантов технологических процессов может быть очень велико. Поэтому ниже будет рассмотрена наиболее общая типовая схема технологического процесса производства детали, которую можно назвать обобщенной схемой технологического процесса.

При производстве деталей главным является выполнение всех требований конструкторских документов, т.е. все назначенные конструктором свойства детали должны быть достигнуты в процессе преобразования исходного полуфабриката в готовую деталь.

Для подавляющего большинства деталей применяют следующую обобщенную схему технологического процесса изготовления (последовательность работ или групп операций) (без процессов контроля качества выполнения этих работ):

1. подготовка полуфабриката к обработке;

2. придание полуфабрикату предварительной геометрии детали (общей формы и габаритных размеров, форм и размеров элементов, шероховатости поверхностей элементов);

3. придание материалу детали заданных эксплуатационных физико-механических свойств;

4. придание полученному промежуточному изделию окончательной (чистовой) геометрии детали;

5. получение (нанесение) покрытий;

6. нанесение маркировок;

7. контроль окончательный.

Так как в авиастроении принят пооперационный контроль качества получаемых изделий, то к перечисленным группам работ необходимо после каждой выполненной операции обработки добавлять операцию контроля.

Ниже приведено описание основных операций технологического процесса изготовления детали.

1) Типовые технологические операции подготовки полуфабрикатов к дальнейшей обработке. Возможность механических повреждений, а также недостаточная коррозионная стойкость металлов в условиях хранения и транспортировки вынуждает применять специальные упаковки и покрытия. Цветные сплавы могут упаковываться в специальные контейнеры или укупорки. Черные сплавы обвязаны проволокой. В качестве защитных покрытий применяются различные минеральные масла, реже специальные полимерные пленки.

Описываемые ниже работы выполняются после поступления полуфабриката на предприятие-изготовитель деталей. При этом могут выполняться:

а) удаление транспортировочных устройств и упаковочных материалов (распаковка полуфабриката).

Применяемые методы: ручные слесарные.

б) удаление защитных антикоррозионных покрытий (расконсервация).

Защитные антикоррозионные покрытия зачастую мешают дальнейшей обработке, поэтому их необходимо удалять.

Применяемые методы:

- окунание в моющие растворы;

- обмывание поверхности полуфабрикатов струями моющих растворов под большим давлением.

в) удаление остатков моющих растворов с поверхности полуфабриката.

Применяемые методы:

- окунание в чистую проточную воду;

- обмывание поверхности полуфабрикатов струями чистой воды под большим давлением.

г) удаление остатков воды с поверхности полуфабриката (сушка).

Применяемые методы:

- радиационная сушка инфракрасными лампами;

- обдув горячим воздухом.

д) проверка полуфабриката на соответствие нормативным требованиям.

В авиастроении принят сплошной входной контроль всех поступающих полуфабрикатов.

Применяемые методы контроля приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Основные методы контроля полуфабрикатов

Проверяемый параметр	Метод контроля
Внешний вид	Визуально
Размеры	Измерение размеров универсальными измерительными средствами
Состояние поверхностей	Визуально с помощью лупы
Марка материала (химический состав)	По паспорту на партию Спектральный анализ образцов
Механические характеристики	По паспорту на партию Испытание на растяжение и ударную прочность образцов, вырезанных из полуфабриката
Технологические характеристики	По паспорту на партию Технологические испытания образцов, вырезанных из полуфабриката

е) нанесение на поверхность полуфабриката защитного покрытия.

Многие материалы после расконсервация, даже в производственных условиях, требуют дополнительной защиты поверхности. Так, поверхность листов из сплавов, чувствительных к повреждениям (например, В95), должна быть защищена от возможных повреждений при транспортировке и перевалке.

Применяемые методы:

• оклеивание бумагой;

• напыление полимерных пленок.

2) Типовые технологические операции придания полуфабрикату предварительной геометрии детали. Данные операции выполняются в подразделениях заготовительного производства и цехах механической обработки. Исходный полуфабрикат поступает в цеха в уже подготовленном виде.

Образование геометрии (общей формы детали, формы элементов детали, размеров всех элементов детали в назначенных допустимых отклонениях размеров и шероховатости всех поверхностей) детали является основной работой при производстве деталей. Поэтому рассматриваемые операции являются наиболее важными и ответственными.

Наиболее широко применяемые в настоящее время методы обработки, а также сложившиеся в машиностроении традиции, предполагают две основные схемы производства детали: в одну стадию и в две стадии.

При производстве детали в одну стадию из полуфабриката изготавливается заготовка простейшей формы, как правило, близкой к форме исходного полуфабриката, которую можно назвать первичной, и которая в последующем подвергается обработке резанием, как наиболее универсальным методом обработки, позволяющим достичь требуемой геометрии детали. Необходимость изготавливать первичные заготовки определяется тем, что размеры деталей, как правило, значительно меньше размеров полуфабрикатов. Кроме того, рабочие зоны большинства моделей оборудования не позволяют размещать целиком полуфабрикат в этих зонах. Поэтому полуфабрикат разделяется на части необходимых размеров.

Изготовление деталей в две стадии предполагает перед обработкой резанием применение дополнительной обработку первичной заготовки. Введение этой обработки обуславливается тем, что в условиях серийного производства в целях экономии материала из первичных заготовок изготавливают изделия, форму и размеры которых стараются максимально приблизить к таковым готовой детали. Полученное при этом изделие можно назвать вторичной заготовкой.

Одностадийный процесс изготовления детали предполагает выполнение технологических операций в следующей примерной последовательности:

• производство первичной заготовки;

• нанесение на поверхность первичной заготовки маркировки;

• улучшение технологических свойств материала первичной заготовки;

• придание частям первичной заготовке предварительных форм, размеров и шероховатости детали.

Одностадийный процесс применяется в опытном и мелкосерийном производстве, когда изготовление оснастки для производства вторичной заготовки экономически нецелесообразно.

Двухстадийный процесс изготовления детали предполагает выполнение следующей последовательности операций:

• производство первичной заготовки;

• нанесение на поверхность первичной заготовки маркировки;

• улучшение технологических свойств материала первичной заготовки;

• производство вторичной заготовки;

• придание частям вторичной заготовке предварительных формы, размеров и шероховатости поверхностям детали.

Применение двухстадийного процесса оправдано при средне- и крупносерийном производстве, а также в мелкосерийном производстве, когда обработке подвергаются дорогостоящие конструкционные материалы и когда затраты на производство соответствующего оснащения экономически оправдано.

Следует отметить, что современные методы обработки давлением и литьем позволяют образование общей формы, а также оформление отдельных элементов детали производить уже на этапе производства вторичной заготовки, тем самым уменьшая и затраты времени на дополнительную обработку.

Ниже рассмотрено содержание операций двухстадийного процесса изготовления детали, как включающего все основные работы по производству деталей.

а) производство первичной заготовки включает работы:

• раскрой полуфабриката (определение положения линий, по которым необходимо отделить заготовки от полуфабриката);

• разметка (нанесение линий разделения на поверхность полуфабриката);

• разделение полуфабриката на первичные заготовки.

Конкретное содержание и применяемые методы зависят от вида применяемого полуфабриката, поэтому они будут рассмотрены ниже. Современное оборудование с числовым программным управлением позволяет все названные работы выполнить сразу за одну операцию.

б) нанесение на поверхность первичной заготовки марки материала (маркировка заготовки).

На полуфабрикате, поступающем на предприятие, маркировка (наименование марки материала) наносится на кромках, торцевых и боковых поверхностях в виде клейма. Ряд материалов не допускает клеймения, тогда на их поверхности наносят, либо надпись, либо идентификационные полосы разного цвета. При разделении полуфабрикатов на первичные заготовки исходная маркировка может быть потеряна. Поэтому, чтобы исключить ошибки в применении материала при изготовлении детали, на поверхность полученных изделий наносится дополнительная маркировка.

Применяемые методы:

• высокая печать (с помощью штемпеля; трафаретов; напылением струйным принтером) по поверхности заготовки;

• наклеивание ярлыка с маркировкой или со штрих-кодом;

• клеймением по всей боковой поверхности проката.

в) улучшение технологических свойств материала первичной заготовки. Эта работа необходима для улучшения обрабатываемости материала резанием или давлением путем уменьшения прочности и твердости материала, повышения его пластичности.

Если свойства исходного полуфабриката приемлемы для последующей обработки, то данная работа может не выполняться.

Для металлов и сплавов технологические свойства улучшаются с помощью смягчающих видов термообработки: отжигов или высокого отпуска (для сталей).

При смягчающей термообработке необходимо выполнение следующих работ:

• нагрев заготовки до температуры отжига;

• выдержка при заданной температуре;

• медленное охлаждение до температуры производственного помещения.

г) производство вторичной заготовки происходит с применением методов обработка давлением и литьем. Последовательность и содержание работ в этом случае зависит как от применяемых методов, так и от сложности геометрии детали и свойств материала.

При применении методов обработки давлением, в зависимости от сложности форм вторичной заготовки, технологических свойств материала первичной заготовки, придание заданной геометрии первичной заготовке выполняют за несколько операций (или переходов) с промежуточными операциями по восстановлению технологических свойств (чаще всего отжигов). Особенно это важно при обработке давлением в холодном состоянии, из-за деформационного упрочнения металла в этом состоянии и существенного снижения пластичности.

Последовательность образования геометрии детали в этом случае может быть следующей:

• образование общей формы детали;

• образование формы наиболее крупных элементов детали;

• образование формы средних по размеру элементов детали;

• образование формы наименьших по размеру элементов детали.

Литье позволяет образовать геометрию большинства элементов конструкции детали или даже всех элементов за один переход.

д) придание заготовке предварительных формы, размеров и шероховатости поверхностей. Геометрические параметры вторичной заготовки (тем более, первичной заготовки), а также шероховатость ее поверхностей редко соответствуют требованиям чертежа. Из-за сложности сразу выполнить заданные размеры, технологи вводят заранее предусмотренные отклонения размеров заготовок от требуемых – технологические припуски. Величина припусков может достигать значительных величин и для их удаления необходимо выполнение дополнительных операций. Современные методы изготовления вторичных заготовок могут обеспечить форму и размеры некоторых элементов, шероховатость отдельных поверхностей в соответствии с требованиями чертежа без припусков. Последующая обработка таких поверхностей не требуется. В этом случае остальные поверхности, как правило, сопрягаемые с другими деталями при сборке, подвергают дополнительной обработке.

Чаще всего удаление технологических припусков выполняется методами, связанными со снятием части материала (например, обработкой резанием). Удаление материала резанием происходит постепенно, в несколько переходов или рабочих ходов, по мере формирования общей геометрии, формы отдельных ее элементов и достижения заданных размеров, предельных отклонений размеров и шероховатости. Объем удаляемого материала за один переход ограничивается обрабатываемостью материала, возможностями применяемого оборудования и требованиями качества к обрабатываемой поверхности.

Последовательность типовых работ на этом этапе изготовления детали может быть такой:

• образование базовых поверхностей базовых элементов;

• образование поверхностей общей формы детали;

• образование поверхностей элементов детали.

3) Типовые операции придания материалу изделия заданных физико-механических свойств. Как правило, данные операции выполняется с помощью упрочняющих видов термообработки, термомеханической обработки, химико-термической обработки или методами поверхностно-пластического деформирования.

А) Упрочнение термической обработкой (ТО). Как показано в таблице 2.4, термической обработке подвержены не все металлы и сплавы.

Таблица 2.4 - Сплавы, подвергаемые упрочнению термообработкой

Сплавы, не упрочняемые термообработкой	Сплавы, упрочняемые термообработкой
Алюминиевые сплавы
АМц, АМг	Д1, Д16, Д19, ВАД23, 1420, АК4-1, АК6, В93, В95, АВ. АЛ9, АЛ19
Магниевые сплавы
МА2, МА8	МЛ5, МЛ10, МЛ15
Титановые сплавы
ОТ4, ОТ4-1, ВТ3, ВТ5, ВТ15, ВТ20	ВТ4, ВТ16, ВТ22, ВТ23
Медные сплавы
М1, М2, Л62	БрБ2, БрАЖМц10-2-1,5, БрАЖН10-4-4
Стали
Х18Н10Т	Улучшаемые: 45, 38ХА, 16ХСА, 25ХГСА, 30ХГСА, 50ХФА, 65С2А, 40ХНМА, ВНЛ2, ЭИХН2СВА; Цементируемые: 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, Х17Н2; Азотируемые: 38ХМЮА, 30Х2НВФА, 30Х3ВА 1Х13, СН3, ВНС2, ВНС5

Для каждого класса сплавов характерны свои специфические виды термической обработки, которые приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Основные виды термообработки металлов и сплавов

Класс конструкционного материала	Режим	Применяемые виды термообработки
Алюминиевые сплавы деформируемые	Т Т1 Т2, Т3	Закалка + естественное старение Закалка + искусственное старение Закалка + искусственное старение по специальному режиму (для высокопрочных сплавов)
Алюминиевые сплавы литейные	Т1 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8	Старение Закалка Закалка + частичное старение Закалка + полное старение Закалка + стабилизирующее старение Закалка + смягчающий отпуск
Магниевые сплавы	Т1 Т4 Т6	Старение искусственное Закалка Закалка + искусственное старение
Титановые сплавы		Закалка + искусственное старение
Стали		Закалка Закалка + отпуск Улучшение (Закалка + высокий отпуск)
Медные сплавы		Закалка Закалка + старение

Основными технологическими проблемами термообработки является возникновение целого ряда нежелательных явлений:

- деформации детали, вызванные изменением удельных объемов при фазовых превращениях в металлах (при примерном сохранении формы и подобия);

- деформации, вызванные изменениями тепловых и структурных напряжений в процессе нагрева, выдержки, охлаждения, неравномерное изменение формы, а также влияние внутренних остаточных напряжений, оставшихся от операций, предшествующих закалке.

Эти факторы действуют тем интенсивнее, чем сложнее форма детали, чем больше отношение площади поверхности к объему отдельных сопрягаемых элементов детали. Сложная форма характерна для деталей самолетов, так как из-за стремления к снижению массы приводит к созданию ажурных, несимметричных форм с большим градиентом толщины в одном сечении, большим количеством всякого рода облегчений в виде карманов, колодцев, и т.п.

Из-за существенного влияния геометрии детали на качество термообработки детали принято классифицировать на 5 классов.

• I Детали простой геометрической формы и небольших размеров, не склонные к короблению (бруски, валики, втулки); длина детали не превышает трех ширин.

• II Детали средней сложности и средних размеров с различными сечениями (типа шестерня, кронштейн, барабан). Размеры значительно превышают толщину. Детали такого типа, в целях предупреждения появления термических остаточных деформаций и трещинообразования, преимущественно изготавливают из легированных сплавов (сталей).

• III Детали сложной конфигурации с относительно небольшими габаритными размерами (до 500х500мм), типа больших шестерен, литых деталей (например, рамы, сложные окантовки и т.д.).

• IV Детали из листа, профилей и трубы. Из-за малой жесткости и склонности таких деталей к короблению, необходимо применение дополнительных операций по правке или специальных мер по совмещению термообработки и калибровки в одной операции.

• V Детали сложной конфигурации большой длины, небольшого поперечного сечения с резкими переходами от тонких сечений к толстым. Такие детали требуют сложных многопереходных операций по устранению коробления и операций доводки геометрии детали.

В общем случае термическая обработка включает работы:

а) очистка изделия от загрязнений – для удаления с поверхности детали химически активных при высоких температурах веществ.

Применяемые методы:

• механическая очистка щетками или протирочными концами;

• окунание в моющий или травящий раствор (для цветных сплавов).

б) удаление горючих веществ с поверхности изделия и обезжиривание.

Применяемые методы:

• окунание в растворители жировых пленок;

• протирка ветошью, смоченной в растворителе.

в) нанесение на поверхность детали защитных покрытий, которое предотвращает выгорание легирующих элементов и не допускает неуправляемого газонасыщения при применении обычных нагревательных печей с воздушной атмосферой.

Применяемые методы:

• окунание в ванну с, например, силикатной эмалью ЭВТ10, и с последующей ее сушкой инфракрасными лампами или горячим воздухом.

г) нагрев изделия до температуры термообработки выполняется в печах различного типа.

Применяемые методы.

• детали из алюминиевых сплавов нагреваются в селитровых и воздушных печах.

• детали из сталей - в печах с безокислительной атмосферой, свинцовых и селитровых ваннах.

• титановые детали – в печах с защитной атмосферой или в вакууме.

Высокотемпературный нагрев выполняется в две стадии. На первом этапе подогрев, на втором – нагрев окончательный.

В последние годы, с целью уменьшения деформации деталей, применяют нагрев в заневоленном состоянии – деталь зажимается в специальное приспособление и вместе с ним подвергается нагреву.

д) выдержка изделия при температуре термообработки выполняется с целью максимально равномерного прогрева заготовки по всему объему.

е) охлаждение изделия. Упрочняющая термообработка (закалка) требует достаточно быстрого охлаждения. Управление скоростью охлаждения осуществляют путем охлаждения в различных средах, которые могут быть нагреты до различных температур (например, в холодную или кипящую воду, в масло, в специальные среды - полиалкиленгликоль для мягкой закалки алюминиевых сплавов, селитру и др.).

ж) повторный нагрев для отпуска сталей или старения деталей из цветных сплавов.

з) обработка холодом. Сложнолегированные высокопрочные и коррозионностойкие стали, могут обрабатываться холодом и охлаждаться до значительных отрицательных температур (до температуры жидкого азота).

и) очистка поверхностей от окалины, остатков веществ нагревательной среды и других загрязнений, образовавшихся при термообработке.

Применяемые методы:

• для сталей - обдув абразивным порошком (пескоструйная или дробеструйная обработка);

• для цветных сплавов – химическое травление поверхностного слоя.

к) контроль качества термообработки является достаточно ответственной и сложной операцией. Проверяется соответствие механических свойств детали требованиям конструкторской документации.

Применяемые методы:

• косвенный – путем жесткого контроля за режимами обработки и строгим соблюдением технологической дисциплины;

• прямой – выполняется по двум схемам:

• а) путем измерения твердости термообработанных деталей (для этого на детали предусматриваются специальные места);

• б) испытанием на прочность образцов – свидетелей (специальных деталей, изготовленных из материала того же полуфабриката, что и проверяемая деталь, подвергнутых термообработке вместе с деталью одновременно).

Б) Термомеханическая обработка может быть эффективным приемом снижения термических деформаций и представляет собой термообработку, совмещенную с обработкой давлением. В этом случае после нагрева до температуры термообработки могут сразу выполняться операции формоизменения. И только после этого осуществляется охлаждение детали по режиму закалки.

В) Химико-термическая обработка (ХТО) составляет особую группу работ, позволяющих кроме упрочения поверхностного слоя стальных малоуглеродистых сталей, получить некоторые виды диффузионных покрытий. При данном виде обработки нагрев, выдержка и охлаждение изделий выполняется в специальных условиях – в среде химических реагентов, обеспечивающих изменение химического состава поверхностного слоя. Охлаждение после нагрева может выполняться также по режиму закалки.

Г) Упрочнение методом поверхностно-пластического деформирования (ППД) (наклёп, нагартовка) применяется, как заключительная операция обработки жестких монолитных деталей и будет рассмотрена ниже.

4) Типовые операции придания полученному изделию окончательных форм, размеров и шероховатости поверхностей. При термической и термомеханической обработке может происходить искажение формы детали, уход положения центров отверстий, изменение размеров и увеличение шероховатости поверхностей и др. Чтобы выполнить требования чертежа, следует применить дополнительные работы по устранению искажения геометрии детали - правку изделия, а также выполнить дополнительное удаление припусков по доведению геометрии детали до заданных значений.

Применяемые методы:

• холодное деформирование (только для материалов, сохраняющих после термообработки достаточную пластичность и деталей, допускающих дополнительную обработку давлением). Для ответственных и особоответственных деталей деформирование в термообработанном состоянии может быть запрещено. Из-за индивидуальных особенностей термических остаточных деформаций каждой детали, правка выполняется слесарными методами либо ручным слесарным инструментом, либо универсальным доводочным прессовым оборудованием.

• удаление специального назначенного припуска на коробление дополнительной обработкой резанием. Метод применяется, если обрабатываемость материала и свойства материала допускает такую обработку. Такой подход характерен для сталей. Причем из-за повышения прочности ( >800 МПа) и твердости (HRC>45 единиц) материала приходится применять для обработки твердые и сверхтвердые режущие инструменты, а также электрохимические и электрофизические методы обработки.

На этом этапе осуществляется образование ранее неоформленных элементов детали, доведение размеров и шероховатости поверхностей до требуемых чертежом.

Применяемые методы - обработка резанием высокопрочным и высокотвердым инструментом (для сталей и титановых сплавов).

5) Типовые операции нанесения (получения) покрытий. Получение покрытий в общем случае предполагает выполнения следующих работ:

а) очистка поверхности детали от механических загрязнений.

Применяемые методы:

• механический (щетками или протирочными концами);

• гидроабразивный.

б) обезжиривание поверхности детали.

Применяемые методы:

• травление;

• промывка органическими растворителями.

в) предварительная обработка поверхностности детали применяется для создания подслоя, необходимого для более эффективной и надежной антикоррозионной защиты.

Применяемые методы:

• химический (например, пассивирование, фосфатирование и др.); фосфатирование – процесс создания на поверхности стальных деталей защитной пленки; пассивирование – процесс образования на поверхности металла пленки кислородных соединений; для сталей и алюминиевых сплавов - обработка в концентрированной азотной кислоте (цвет пленки на стальных деталях - от радужно-золотистого до желтого);

• термохимический (цементация, азотирование, цианирование, борирование и др.).

г) получение (нанесение) одного слоя покрытия.

Применяемые методы во многом зависят от природы покрытия и основные методы нанесения и получения приведены в таблице 2.6.

Содержание операций и переходов во многом зависит от вида покрытия и применяемого метода его получения.

Таблица 2.6 - Основные методы нанесения/получения покрытий

Вид покрытия	Метод нанесения/получения
Металлические	- окунание в расплав или раствор (алитирование, цинкование) - напыление холодное - напыление горячее - наплавление - катодное осаждение (хромирование, кадмирование, никелирование и др.) - конденсированием из газовой фазы
Неметаллические неорганические	- оксидирование химическое (для сталей – воронение) оксидирование анодное (анодирование) фосфатирование
Органические	- окунание - механический (кистями) - струйный облив - электроосаждение - распыление (пневматическое, электростатическое, аэрозольное, безвоздушное)

д) дополнительная обработка полученного покрытия. Необходимость и вид дополнительной обработки также зависит от вида покрытия и метода его нанесения (получения). Например, для оксидного гальванического покрытия на поверхности алюминиевых сплавов выполняют дополнительную операцию - наполнение хромпиком (двухромовокислым калием), для вороненых поверхностей стальных деталей применяют наполнение маслом. Металлические покрытия могут полироваться.

е) нанесение второго и последующих слоев. При нанесении второго слоя покрытий упомянутые работы могут быть повторены, или применены другие виды покрытий, соответственно - иные методы методов и средства.

6) Типовые операции нанесение маркировок. На поверхность деталей, в установленных конструкторской документацией местах, наносится номер детали и другие символы, идентифицирующие деталь и сертифицирующих её качество.

Применяемые методы:

• ударный;

• краской;

• гравированием;

• травлением;

• электрохимический.

Представленная обобщенная технологическая схема является примерной. Конкретные последовательность, содержание, применяемые методы обработки во многом зависит от вида полуфабриката, марки материала, сложности конструкции деталей, объема выпуска детали и реальных возможностей предприятия изготовителя детали.