Введение в инновационные технологии современных производств

1.

Введение в инновационные технологии
современных производств
Доцент, к. т. н. Исаев А. В.
МГТУ «СТАНКИН»

2.

История и тенденции развития технологии машиностроения;
Основы технологии машиностроения, материалы, применяемые в
машиностроении;
Виды современного металлообрабатывающего оборудования;
Виды современного металлорежущего инструмента,
технологической оснастки и контрольно-измерительной техники

3. История и тенденции развития технологии машиностроения

Технологические уклады промышленности
Первый технологический уклад (1770—1830 годы). Ядро: Текстильная промышленность, текстильное машиностроение,
выплавка чугуна, обработка железа, строительство каналов, водяной двигатель. Ключевой фактор: Текстильные
машины.
Второй технологический уклад (1830—1880 годы). Ядро: Паровой двигатель, железнодорожное строительство,
транспорт, машино-, пароходостроение, угольная, станкоинструментальная промышленность черная металлургия.
Ключевой фактор: Паровой двигатель, станки.
Третий технологический уклад (1880—1930 годы). Ядро: Электротехническое, тяжелое машиностроение, производство и
прокат стали, линии электропередач, неорганическая химия. Ключевой фактор: Электродвигатель, сталь.
Четвертый технологический уклад (1930—1970 годы). Ядро: Автомобиле-, тракторостроение, цветная металлургия,
производство товаров длительного пользования, синтетические материалы, органическая химия, производство и
переработка нефти. Ключевой фактор: Двигатель внутреннего сгорания, нефтехимия.
Пятый технологический уклад (1970—2010 годы). Ядро: Электронная промышленность, вычислительная, оптико-
волоконная техника, программное обеспечение, телекоммуникации, роботостроение, производство и переработка газа,
информационные услуги. Ключевой фактор: Микроэлектронные компоненты.
Шестой технологический уклад (2010— ?) Каким он будет?

4. История и тенденции развития технологии машиностроения

Социальные тенденции в машиностроении
Сокращение работников в сфере материального обслуживания: (переход в сферу обслуживания, продаж, услуг, в т. ч.
консалтинговых, интеграционных — таких работников в машиностроении набирается до 7,5%);
Истощение природных ресурсов и, следовательно, их удорожание;
Максимальная компьютеризация производства и проектирования.
Производственные тенденции
Автоматизация производства — переход на станки с ЧПУ, гибкие автоматизированные линии, безлюдное
производство.
Тенденция к обработке поверхностей сложной формы инструментом простой формы.
Развитие покрытий на инструментах и изделиях.
Широкое применение сверхтвердых и композиционных материалов;
Новые методы обработки (электроэрозионная, гидроабразивная, послойный синтез и т. д.);
Материалосбережение и защита окружающей среды;
Сложность формы изделий, их многообразие и высокие требования к точности размеров, геометрической форме и
шероховатости поверхности, к физико-механическим свойствами материала готового изделия;

5. История и тенденции развития технологии машиностроения

«Традиционные» технологии металлообработки
литье;
обработка пластическим деформированием (ковка, штамповка, прокат и т. д.);
обработка резанием и шлифованием (токарная, фрезерная, абразивная и т. д.);
термическая обработка;
Новые («нетрадиционные») методы обработки
концентрированными потоками энергии (лазерная, плазменная, электроэрозионная обработка);
гидроабразивная резка,
лазерная наплавка,
лазерная сварка;
резка алмазной проволокой;
послойный синтез из пластмассовых и металлических порошков;
Новые подходы к традиционным технологиям — существуют и развиваются!

6. Основы технологии машиностроения

Технологическая система — замкнутая система, состоящая из
станка, технологической оснастки, обрабатывающего инструмента,
и обрабатываемой заготовки а также, возможно, измерительного
инструмента, если он входит в состав станка;
Важнейшей характеристикой, определяющей работоспособность
технологической системы и отдельных ее элементов, является
жесткость — способность противостоять действию сил,
вызывающих вибрации, деформации и другие негативные
факторы;
Современные станки с числовым программным управлением
(ЧПУ) имеют широкие технологические возможности, большие
диапазоны скоростей и мощные приводы. Естественно, что к
технологической системе, в которой работают такие станки,
предъявляют повышенные требования и обусловливающие их
конструктивные особенности: высокую жесткость и
виброустойчивость, обеспечивающие требуемую точность
обработки и максимальное использование мощностей станков в
сочетании с относительной простотой конструкции и
компактностью. Несоблюдение этих требований значительно
снижает преимущества, которые могут быть получены от
применения станков с ЧПУ.

7. Основы технологии машиностроения

Работы по наладке технологической системы на производство нового
изделия являются одним из важнейших этапов производства.
Z
Главная функция станочного приспособления — обеспечение установки
W1
W2
X
Y
заготовки в процессе ее обработки на станке. Установка заготовки включает
в себя процесс ее базирования и закрепления. Базирование — это придание
заготовке вполне определенного (однозначного) положения относительно
выбранной системы координат. Закрепление — приложение к заготовке сил
и пар сил, обеспечивающих в процессе обработки постоянство положения
заготовки, достигнутого при базировании.
Положение
заготовки относительно приспособления определяется
комплектом баз. База — поверхность или сочетание поверхностей, ось,
точка, принадлежащая заготовке и используемая для базирования. Комплект
баз — совокупность трех баз, образующих систему координат заготовки.
Базирование возможно осуществить различными схемами базирования.
От правильно выбранной схемы базирования и способа установки
заготовки в приспособлении во многом зависит качество и
производительность конкретного технологического процесса. Обеспечение
минимальной погрешности установки является одной из важнейших задач
инженера-технолога

8. Виды материалов, применяемых в машиностроении

Основные виды материалов, которые обрабатываются на станках в
машиностроительном производстве:
Стали;
Чугуны;
Нержавеющие стали.
Цветные металлы (алюминий, медь) и сплавы на их основе (латунь, бронза);
Титан и его сплавы;
Неметаллические материалы (пластмассы, керамика, графит, стекло, дерево,
композиты и др.)
Металлы являются самыми распространенными материалами,
применяемыми в машиностроительном производстве. Мы будем
рассматривать преимущественно металлические материалы.

9. Стали

Сталь — сплав железа с углеродом и с другими элементами. Сталь содержит не более
2,14% углерода (при большем количестве углерода в железе образуется чугун). Углерод придаёт
сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Разновидностью
инструментальной является быстрорежущая сталь. По химическому составу стали делятся на
углеродистые и легированные. По содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25% С),
среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (0,6—2% С); легированные стали по
содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные - до 4% легирующих
элементов, среднелегированные - до 11% легирующих элементов и высоколегированные - свыше
11% легирующих элементов.
Различным сочетанием легирующих элементов можно добиться оптимальных свойств стали,
улучшив некоторые свойства (например — твердость, прочность, теплостойкость, пластичность,
упругость и т. д.). В качестве легирующих элементов в сталях чаще всего используются Cr, Ni, Mg, N,
Co, Ti, Nb, Mo, V, W, Cu, B, Al, Si и другие.
Сталь является важнейшим конструкционным материалом для машиностроения, транспорта,
строительства и прочих отраслей промышленности.

10. Чугуны

Чугун, как и сталь — сплав железа с углеродом (и другими элементами), при этом в чугуне содержится не
менее 2,14% углерода. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от
формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны
содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и
др.). Как правило, чугуны хрупки.
Виды чугуна:
Белый чугун. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.
Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2 - 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные
примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита
пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
Ковкий чугун получается длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит
хлопьевидной формы. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя
обработке давлением, в том числе ковке, он не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной
прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали
сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

11. Нержавеющие стали

Нержавеющая сталь — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных
средах. Для того, чтобы придать стали «нержавеющие» свойства, необходимо, чтобы в ее составе
было не менее 12% хрома.
По химическому составу нержавеющие стали делятся на:
Хромистые, которые, в свою очередь, по структуре делятся на мартенситные (20Х13, 30Х13, 40Х13),
полуферритные (мартенисто-ферритные) и ферритные;
Хромоникелевые (аустенитные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-
карбидные)
Хромомарганцевоникелевые (классификация совпадает с хромоникелевыми нержавеющими
сталями).

12. Цветные металлы и их сплавы

Алюминий — самый распространенный в природе элемент (после O и Si). Он пластичен, обладает высокими
антикоррозийными свойствами и хорошей электропроводностью. Алюминий прекрасно прокатывается, штампуется и куется.
Он в три раза легче чугуна и стали. В чистом виде в природе не встречается, однако с другими элементами он образует около
250 соединений.
Сплавы алюминия силумин и дуралюмин получили очень широкое распространение. Силумины — это литейные сплавы
алюминия с кремнием, магнием и медью. Дуралюмины — это пластические сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем,
кремнием и железом.
Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в авиационной, автомобильной, тракторной промышленности, в
приборостроении, а также при изготовлении предметов широкого потребления. В последнее время не осталось почти ни одной
отрасли промышленности, где можно обойтись без алюминия и его сплавов.
Медь обладает высокой пластичностью, электропроводностью и антикоррозийностью. Ее применяют для изготовления
токопроводящих деталей, проводов. В промышленности весьма широкое применение нашли сплавы меди с цинком, оловом,
алюминием, кремнием и другими элементами. Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни.
Бронзы — это сплавы меди с оловом (4—33% Sn, хотя бывают безоловянные бронзы), свинцом (до 30%), алюминием (5—11% ),
кремнием (4—5% Si), сурьмой и фосфором.
Латуни — это сплавы меди с цинком, которого может быть от 3% до 43%. Латунь очень прочный и пластичный материал, а
также более дешевый, чем медь

13. Титан и его сплавы

Титан — тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана
выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене
сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали
на 40%. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно
изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна.
Для получения сплавов с улучшенными свойствами титан легируют алюминием,
хромом, молибденом.

14. Термическая обработка

Металлические материалы очень часто подвергаются дополнительной термической
обработке, которая необходима для повышения механических свойств, в первую
очередь твердости и прочности, за счет изменения внутреннего строения и структуры
материала.
Очень распространенным видом термообработки металлов является закалка — нагрев
до определенной температуры (для сталей — около 1100—1200°С), выдержка при этой
температуре и быстрое охлаждение, после которой материал становится весьма
твердым, но при этом достаточно хрупким и непрочным. Чтобы несколько снизить
хрупкость после закалки применяют другой вид термообработки — отпуск,
заключающийся в медленном нагреве до некоторой температуры (значительно более
низкой, чем при закалке — обычно 200—600°С) и медленном охлаждении.
Существуют и другие виды термообработки (отжиг, нормализация, старение, а также
обработка холодом).

15. Инструментальные материалы

Инструментальные материалы по сравнению с большинством конструкционных имеют
заметно большую твердость (иначе было бы невозможно обрабатывать достаточно
твердые конструкционные материалы — инструмент просто изнашивался бы об них) и
теплостойкость (чтобы тепло, интенсивно выделяющееся при обработке, не привело к
излишнему нагреву и потере режущих свойств инструмента).
Из инструментальных сталей в настоящее время наиболее широко применяются
быстрорежущие стали. Они отличаются довольно большим (от 6% и выше)
содержанием тугоплавкого элемента вольфрама, который придает этим сталям
большую твердость и, особенно, теплостойкость, по сравнению с «обычными»
конструкционными сталями.

16. Инструментальные материалы

Самыми распространенными инструментальными материалами в наше время
являются твердые сплавы, представляющие собой порошки очень твердого и
теплостойкого соединения — карбида вольфрама (а также иногда карбидов титана и
тантала), смешанного со связующим веществом (кобальтом) и спеченные при
высокой температуре (1500—2000°С).
Твердые сплавы предназначены для инструментов, работающих при более высоких
скоростях резания, нежели инструменты из инструментальных — в том числе,
быстрорежущих — сталей. Если быстрорежущий инструмент позволяет работать со
скоростью резания максимум 50 м/мин (а обычно значительно меньше, 20—30 м/мин),
то инструмент из твердого сплава обеспечивает скорости резания до 200—300 м/мин,
а при обработке легких сплавов еще выше.
Нанесение специальных износостойких покрытий на режущую часть инструмента
позволяет еще больше повысить режимы обработки.

17. Инструментальные материалы

Для тонких (отделочных, или так называемых суперфинишных) методов обработки с
высокими скоростями резания (свыше 500 м/мин), а также при обработке очень
твердых и прочных материалов рекомендуется применение так называемых
сверхтвердых инструментальных материалов (СТМ).
Наиболее распространенными среди СТМ являются материалы, полученные на основе
кубического нитрида бора (КНБ, английская аббревиатура CBN), а также из
искусственного алмаза.
17

18. Виды современного оборудования

Чем отличается современное?

19. Виды современного оборудования

Оборудование безлюдного металлообрабатывающего производства

20. Виды современного оборудования

Оборудование для обработки концентрированными потоками энергии

21. Виды современного оборудования

Оборудование для обработки концентрированными потоками энергии

22. Виды современного оборудования

Оборудование для обработки концентрированными потоками энергии

23. Виды современного оборудования

Оборудование для резки алмазной проволокой

24. Виды современного оборудования

Оборудование для гидроабразивной резки

25. Виды современного оборудования

Шлифовально-заточные центры для изготовления и переточки
высокоточного режущего инструмента

26. Виды современного оборудования

Оборудование для аддитивного производства изделий из металлических материалов

27. Виды современного оборудования

Оборудование для аддитивного производства изделий из пластмассовых порошков

28. Виды современного оборудования

Образцы изделий, полученных методами аддитивного производства

29. Виды современного оборудования

Режущий инструмент
Элементы процесса резания
ЗАГОТОВКА — ИНСТРУМЕНТ – СИЛА — ДВИЖЕНИЕ
СИСТЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ
(приспособления, патроны и т. д.)
СТАНОК
(универсальный, с ЧПУ и т. д.)
1 — заготовка; 2 — обрабатываемая поверхность; 3 — стружка; 4 —
передняя поверхность; 5 — режущая часть; 6 — задняя поверхность; 7
— обработанная поверхность; 8 — режущая кромка;
Dr — поступательное движение резца (главное движение резания); Р
— сила резания; γ — передний угол; β — угол заострения; α — задний
угол; B — ширина заготовки, t — глубина резания

30. Режущий инструмент

Основные требования к режущему инструменту:
1. Формообразование поверхности детали;
2. Режущая способность;
3. Экономичность.
По назначению инструменты традиционно классифицируются в соответствии с видом оборудования, на котором они
применяются, а именно следующих видов станков:
Станки токарной группы (различные токарные резцы);
Станки фрезерной группы (дисковые, концевые, фасонные фрезы);
Станки сверлильно-расточной группы (сверла, зенкеры, развертки, расточные резцы);
Строгальные, долбежные, протяжные (строгальные и долбежные резцы, протяжки, прошивки и т. д.);
Зубо- и резьбообрабатывающие станки (долбяки, шеверы, червячные фрезы, метчики, плашки, резьбовые резцы,
резьбовые фрезы и т. д.)
Станки шлифовальной группы (абразивные круги);
И другие…
В настоящее время границы между группами станков зачастую носят довольно условный характер.

31. Режущий инструмент

Токарные резцы

32. Токарные резцы

Инструмент для обработки отверстий

33. Инструмент для обработки отверстий

34. Инструмент для обработки отверстий

Фрезы

35. Фрезы

Инструмент для обработки резьбы

36. Инструмент для обработки резьбы

Инструмент для обработки зубчатых колес

37. Инструмент для обработки зубчатых колес

Протяжки

38. Протяжки

Алмазный режущий инструмент

39. Алмазный режущий инструмент

Технологическая оснастка
Большое разнообразие видов технологической
оснастки обусловлено разнообразием видов
изделий и, соответственно, типов обработки (т. е.,
по сути, типов станков, на которые ведется
обработка).
К приспособлениям (устройствам, в которых
крепится обрабатываемая заготовка) относят
различные прижимы, тиски, патроны, магнитные
и вакуумные столы и т. д.

40. Технологическая оснастка

К вспомогательному
инструменту (устройствам, в
которых крепится
обрабатывающий инструмент)
относят различные оправки и
патроны (кулачковые,
цанговые, гидропластовые,
термозажимные и т. д.);
От правильного выбора
вспомогательного
инструмента зависят:
стойкость режущего
инструмента, стабильность
технологического процесса,
точность и качество
обработки.

41. Технологическая оснастка

Контрольно-измерительная техника

42. Контрольно-измерительная техника

43. Контрольно-измерительная техника

Спасибо за внимание!