Задача создания оригинальных машин или механизмов, пред­назначенных для выполнения каких-либо новых функций или изве­стных функций, но новым, более рациональным способом, в прак­тике проектирования встречается сравнительно редко. В большин­стве случаев каждая современная конструкция представляет собой итог работы проектировщиков нескольких поколений. Тем не менее всякое вновь проектируемое изделие имеет элемент оригинальности. Разнообразие назначений, форм и размеров машиностроительных конструкций, а также прогресс техники и технологии не позволяют конструктору просто механически повторять готовые решения. Поэтому проектирование является каждый раз творческой задачей, не исключающей, но дополняющей разумную конструктивную преемственность.

На этапе эскизного проектирования выявляют принципиаль­ную возможность осуществления различных решений и оценивают их технологическую целесообразность.

Генеральное конструктивное оформление обычно предопреде­ляется предшествующим опытом создания изделий данного типа. Напротив, выбор формы и размеров поперечных сечений опреде­ляется параметрами и особенностями данной проектируемой ма­шины.

При проектировании сечений одновременно с выбором материала и метода получения заготовок конструктор назначает расположение сварных соединений, их тип и способ сварки.

Таким образом, принципиальные вопросы изготовления сварной конструкции решают уже на первом этапе ее проектирования. Решение этих вопросов во многом определяет технологичность сварной конструкции, т. е. возможность ее изготовления при наи­меньших затратах труда, времени и материалов. Технологичность не является непременным свойством сварной конструкции, но до­стигается только в результате умелого использования богатых воз­можностей компоновки конструкции из отдельных заготовок и ра­ционального применения наиболее прогрессивных приемов изготов­ления при помощи сварки. Технолог любой квалификации не в со­стоянии эффективно использовать передовую технологию там, где констукция разработана без учета технологичности. Поэтому при проектировании сварной конструкции отработка технологичности принимаемых конструктивных решений является обязательной на всех стадиях проектирования, и участие в этой работе технологов - сварщиков обычно обеспечивается как через технологические от­делы конструкторских бюро, так и путем согласования с отделом главного сварщика.

На стадии технического проекта конструкции всех основных узлов и наиболее трудоемких деталей обычно разрабатывают в не­скольких вариантах. После соответствующей проработки эти ва­рианты сравнивают по их технологичности и надежности в эксплуа­тации. В случае необходимости при этом производят расчеты трудо­емкости изготовления, металлоемкости и других показателей. Не всегда удается изыскать вариант, существенно превосходящий все другие. Выбор одного из них в этом случае производят на основании того показателя, который в данном конкретном случае является решающим.

На этапе рабочего проектирования производят детальную технологическую проработку принятого варианта конструк­ции. В первую очередь прорабатывают чертежи и технические условия на крупные заготовки, в особенности поставляемые извне, затем чертежи всех основных узлов и деталей и техни­ческие условия на их изготовление, сборку, монтаж и испы­тания.

Выпущенные конструкторскими отделами рабочие чертежи на­правляют в отдел главного сварщика. Здесь, при разработке рабо­чей технологии, определяют технологичность спроектированной конструкции и выявляют недостатки, связанные в основном с вы­бором материалов, видов заготовок, размерами швов и характером подготовки кромок, припусками на механическую обработку, допусками на размеры, методами контрольных операций и т. д. На основании этих замечаний конструкторские отделы производят
необходимые изменения в технологической документации до за­пуска изделия в производство.

Следовательно, высокая технологичность проектируемой свар­ной конструкции обеспечивается совместной согласованной работой конструкторов и технологов-сварщиков. В ряде случаев, при созда­нии принципиально новых сварных конструкций, а также при освоении новых материалов или сварочных процессов к решению наиболее сложных вопросов целесообразно привлекать научно - исследовательские организации.

2020

2Ш

Рис. 1. Примеры сварных дета­лей больших размеров:

а — баба бесшаботного молота; б — колонна гидропресса

		>  1700
						1 С|
			і Ъ 200 -------------------------------- U-------------------------------- гЛ~"		1 г
о---------- ^----------------------------------- ЙЙ0---------------------------- 1------------------

5)

Необходимо также наиболее полно использовать расчетные методы.

Работу по улучшению технологичности обычно проводят по ряду направлений. Ниже на примерах можно проследить специфику такой работы применительно к характерным типам сварных кон­струкций.

При проработке конструктивной схемы и ориентировочном под­счете размеров сечений для наметки контуров проектируемого изделия подход к монолитному или сварному исполнению прак­тически одинаков. Но членение изделия на отдельные заготовки имеет уже прямое отношение к изготовлению его с помощью сварки. Намечая расположение сварных соединений, проектировщик не только задает форму и размеры отдельных заготовок, но в значи­тельной степени предопределяет решение ряда конструктивных и технологических вопросов, таких как выбор методов получения заготовок, типов соединений, приемов сварки и т. д. Поэтому выбор варианта расчленения является весьма важным этапом проектиро­вания сварного изделия; его влияние на технологичность конструк­ции может быть весьма значительным.

При проектировании уникальных сварных деталей большого размера или массы членение нередко является единственно воз­можным решением задачи, так как изготовить их целиком не позво­ляет мощность существующего оборудования. Примером этому служат детали, показанные на рис. 1. Выполнение бабы бесшабот - ного молота из двух кованых заготовок массой по 50 т (рис. 1, а) было предпринято потому, что мощность прессового оборудования оказалась недостаточной для получения поковки массой 100 т.

Расчленение колонны пресса усилием 70 ООО тс (рис. 1, б) позво­лило, во-первых, уменьшить длину заготовок из толстолистового проката, составляющих среднюю часть колонны, а во-вторых, наи­более просто обеспечить увеличение сечений головок колонны по сравнению со средней частью.

В отличие от рис. 1, где детали больших размеров выполнены составными в направлении длины и ширины, для сосудов сверх­высоких давлений и большого размера оказалось целесообраз­ным стенку сосуда проектировать составной в направлении тол­щины путем многослойной навивки рулонной стали толщиной 6—8 мм на основную обечайку со стенкой толщиной порядка 20 мм.

В предыдущих примерах форма деталей была простая и необхо­димость членения определялась только стремлением ограничить размеры заготовок. При членении более сложных деталей жела­тельно простоту форм отдельных заготовок сочетать с рациональ­ным расположением сварных соединений. Так, места стыков рамы прокатного стана (рис. 2) выбраны из условия симметрии сварочных
деформаций и относительной простоты формы каждого элемента. По сравнению с цельнолитым исполнением такой рамы, когда сталь­ную отливку большого размера и сложной формы приходится формовать в полу цеха при больших затратах ручного труда, пере­ход к сварному варианту из литых заготовок простой формы и мень­ших размеров позволяет значительно сократить трудоемкость

изготовления путем использо­вания машинной формовки.

В отличие от конструкций, показанных на рис. 1 и 2, все элементы которых расположе­ны в одной плоскости, ста­нина пресса усилием 4000 тс на рис. 3 является простран­ственной конструкцией, со­стоящей из двух стоек 1 и 2, объединенных жесткой тра­версой 3 и поперечиной 4. Станины прессов должны об­ладать высокой жесткостью, поэтому уровень рабочих на­пряжений оказывается срав­нительно низким. Это позво­ляет в качестве материала ча­стей станины использовать хорошо сваривающиеся угле­родистые стали, выбирая ме­тод получения заготовок с позиции экономичности обес­печения заданной их формы Рис. 3. Станина пресса и размеров. Компактные се­

чения и относительно неболь­шие размеры траверсы и поперечины не препятствуют выполне­нию их заготовок целиком в виде стальной отливки и кованой трубы. Стойки, имеющие развитые сечения и значительные размеры, более технологичны в сварном исполнении из толстолистового проката. Поэтому места расположения швов станины пресса вы­браны как с позиций рационального формирования стоек из листо­вых заготовок, так и из условия компоновки всего изделия из элементов.

Нередко условия нагружения различных частей сварной кон­струкции отличаются весьма заметно. В этом случае целесообразно материал и метод получения заготовок выбирать с учетом требо­вания к механическим свойствам различных частей. Примером такого решения может служить карданный вал автомобиля (рис. 4). Вилка кардана имеет сложную форму и работает в тяжелых уело-
виях изгиба и кручения. Сочетание высоких механических свойств и экономичности получения требуемой формы заготовки с малым припуском на последующую обработку достигают использованием горячей штамповки из стали 40Х. Шлицевый валик 1 также должен иметь высокие механические свойства, но простая форма заготовки позволяет получить ее из профильного проката стали 40Х круглого сечения. Средняя часть 2 вала нагружена только крутящим момен­том, требования к механическим свойствам ниже, заготовкой может быть труба из стали 35.

Приведенные выше примеры членения сварных деталей были рассмотрены с позиции выбора метода получения заготовок, исходя из требуемых размеров и механических свойств. При выборе метода сварки необходимо учесть свариваемость металла заготовок, назна­чить тип соединения и обеспечить удобство выполнения сборочно­

сварочных операций. Выполнение этих требований можно просле­дить на примерах сварных конструкций, показанных на рис. 1—4.

Первые три примера касаются сварки массивных заготовок из хорошо сваривающихся углеродистых и низколегированных ста­лей, для которых эффективно применение электрошлаковой сварки. Простое соединение встык пластин толщиной 200 мм в случае колонны пресса (см. рис. 1, б) не представляет затруднений для выполнения с помощью любого аппарата для электрошлаковой сварки с поперечным колебанием электродов. Несмотря на весьма большую толщину стыкуемых заготовок бабы бесшаботного молота (см. рис. 1, о), использование метода плавящегося мундштука позволяет выполнить это соединение непосредственно без каких - либо усложнений конструкции стыка.

Стыки рамы прокатного стана (см. рис. 2) требуют конструк­тивной доработки. Поперечное сечение в виде двутавра целесооб­разно как с позиции жесткости и устойчивости конструктивных элементов, так и с позиции технологии отливки заготовок. Однако непосредственное соединение встык заготовок такого соединения с помощью электрошлаковой сварки трудоемко, так как требует формовки стыка сложного очертания. Поэтому сложное очертание двутаврового сечения в месте стыка заменено сплошным (разрезы Л-Л, Б-Б) для удобства выполнения его электрошлаковой сваркой
пластинчатыми электродами. Несмотря на заметное увеличение количества наплавленного металла, такое конструктивное оформле­ние стыка оказывается более технологичным, чем выполнение номи­нального сечения многослойной сваркой. Сравнительная стоимость 1 м длины сварного шва показана на рис. 5.

о 100 200 зоо т мм Толщина металла Рис. 5. Зависимость стоимо­сти выполнения 1 м длины шва, от толщины металла:

Выбор метода сварки и конструктивного оформления соединений станины пресса (см. рис. 3) ввиду пространственного расположения швов и большого количества соединяемых элементов требует про­работки рациональной последовательности сборочно-сварочных опе­раций. Технологичность конструкции такого типа достигается только в том случае, если эти вопросы учтены кон­структором достаточно полно.

1 — ручная дуговая сварка; 2 — многослойная автоматиче­ская сварка; 3 — однопроходная электрошлаковая сварка

С позиции доступности сварных сое­динений, удобства их выполнения и пос­ледующего пооперационного контроля сборочно-сварочные работы сложных пространственных конструкций целесо­образно выполнять путем последователь­ного укрупнения отдельных элементов в подузлы и узлы с последующей сборкой всего изделия. Такой подход особенно желателен при использовании электро­шлаковой сварки, когда требуется обес­печить вывод концов швов за пределы тела детали. С другой стороны, метод последовательного укрупнения может привести к неблагоприятному суммиро­ванию сварочных деформаций; во избе­жание этого собираемые подузлы и узлы должны иметь достаточную простран­ственную жесткость. Применительно к станине пресса назначение метода сварки, типа соединения и по­следовательности выполнения операций можно проследить на рис. 6. Начинают со сборки в замкнутое сечение боковых стенок тумбы 1, как показано на рис. 6, а. Угловые швы (1) и (2) выпол­няют попарно электрошлаковой сваркой с полным проплавлением присоединяемого элемента, формирование шва обеспечивается с на­ружной стороны ползуном автомата, изнутри съемной охлаждаемой подкладкой. Затем устанавливают горизонтальные листы тумбы 1 и выполняют первые пары швов (3) и (4) рис. 6, б. Участки первых пар швов, препятствующие установке карманов и выводу усадоч­ных раковин вторых пар швов, удаляют из зазора огневой резкой.

Готовая тумба 1 входит в сборку второго, более крупного узла — стойку (рис. 6, в). Замкнутое сечение образуется присоединением элементов полустоек 2 и <3, угловые швы (5)—(8) выполняют электро-

Рис. 6. Последовательность сборочно-сварочных операций при изготов­лении станины пресса

шлаковой сваркой. Формирование корпуса станины завершают сборкой стоек с траверсой 4 (рис. 6, г) и сваркой электрошлаковых швов (9)—(12). Затем в полустойках 3 огневой резкой вырезают пазы под трубу 5 (рис. 6, д). Следует заметить, что образование пазов резкой не плоских заготовок, а уже сваренного узла с уда­лением части шва, является приемом, характерным для конструк­ций, выполняемых электрошлаковой сваркой.

Целесообразность такого приема объясняется трудоемкостью подготовки и зачистки концов каждого электрошлакового шва. В этом случае выполнить длинный непрерывный шов с последую­щим удалением его части резкой оказывается выгоднее, чем выпол­нять два более коротких шва. Завершение сборки и сварки станины требует ряда кантовочных операций. Так, установку трубы 5 и лап 9 и 10, сварку под флюсом многослойных швов (13) и (14) производят как показано на рис. 6, д, а установку крышек 6, 7 и 5 и выполнение электрошлаковых швов (15) и многослойных швов (16)—(21) на рис. 6, е.

При компоновке изделия из заготовок с различными свойствами выбор метода сварки существенно зависит от свариваемости мате­риала заготовок. Например, при изготовлении карданного вала автомобиля (см. рис. 4) различные марки углеродистых сталей, из которых выполнены его отдельные части, свариваются практи­чески любым способом. Поэтому выбор электродуговой сварки в С02 или сварки трением для выполнения двух кольцевых швов определяется только соображениями обеспечения технологичности конструкции. Напротив, при изготовлении переходника, предназна­ченного для присоединения трубопровода из нержавеющей стали к сосуду из алюминиевого сплава, выбор метода сварки заготовок из этих материалов определяется их крайне ограниченной свари­ваемостью. Для этого используют либо совместную горячую пласти­ческую деформацию телескопического соединения, либо сварку трением встык.

Выбор метода выполнения кольцевого шва деталей типа валов и осей часто диктуется их конструктивным оформлением. Так, наличие в надставке полуоси трактора МТЗ-7 (рис. 7) внутренних зубьев заставляет делить деталь на две части для обработки ее протяжкой. Однако сварка такой составной детали на стыковой машине затрудняется опасностью повреждения зубьев сварочным гратом, а использование дуговой сварки — возможностью искаже­ний прямолинейности оси от сварочных деформаций. Поэтому для изготовления таких осей используют сварку трением на специаль­ной машине.

При больших размерах сварного изделия доставка его к месту монтажа целиком нередко оказывается невозможной или нецелесо­образной. Подход к выбору метода сварки и конструктивному оформлению соединения для сварки заводской и сварки монтажной может быть различным. Поэтому размеры отправочных элементов и места расположения монтажных швов следует назначать одно­временно с выбором метода сварки.

Выбор метода сварки обычно включает назначение типа свар­ного соединения, приемов его выполнения и применяемого приса­дочного металла. Эти данные предопределяют механические свой­ства сварного соединения и величину допускаемого напряжения, что необходимо для выполнения расчетов на прочность. Для завер­шения технического проекта этих данных оказывается достаточно.

На стадии рабочего проектирования конструктивное оформление сварных соединений прорабатывается более детально с указанием характера обработки кромок, допусков на размеры деталей и при­пусков на последующую механическую обработку узла или изделия.

Величины допусков и припусков, определяющие требования к точности сборки и ограничению деформаций от сварки, могут оказать существенное влияние на технологичность сварной кон­струкции. Насколько существенно такие данные могут изменять условия сборки, сварки и последующей обработки, можно видеть на следующем примере. Пусть требуется собрать три детали А, В и С встык и сварить их ^определенным допуском на окончательный размер L (рис. 8).

Если соединения предполагается выполнять автоматической сваркой, то стыки следует собирать без зазора, путем плотного прижатия деталей одна к другой (рис. 8, а). В этом случае величина припуска на окончательную обработку определится суммой до­пусков всей цепи размеров, и ее ограничение требует повышения точности размеров каждой детали и учета деформаций от сварки.

Требования к точности размеров деталей Л, В и С могут быть значительно снижены, если сборку вести по базовым поверхностям приспособления (рис. 8, б). и использовать ручную сварку, до­пускающую наличие зазоров а и b между отдельными деталями. При этом величина припуска на окончательную механическую обработку может быть уменьшена, если задать расстояние между опорными базовыми поверхностями L +А с учетом усадки от сварки А.

Для деталей тяжелых машин, показанных на рис. 1—3, требо­вания к точности сборки под электрошлаковую сварку не велики.

А	В	С

а)

А'	В'	сг
	к

Рис. 8. Схема сборки сварной детали из трех заго­товок

Простая форма кромок позволяет в этом случае подавать детали на сборку без предварительной механической обработки, тогда как требуемая точность исполнительных размеров обеспечивается окон­чательной механической обработкой при условии назначения при­пуска, учитывающего возможные погрешности сборки и деформа­ции от сварки.

Более высокие требования к точности сборки и обработки за­готовок под сварку можно проследить на примере валов крупных гидравлических и тепловых турбин.

Конструкция валов гидравлических турбин проста — это мас­сивная труба с одним или двумя фланцами (рис. 9). Перед сборкой среднего стыка обечайки 2 проходили черновую механическую обработку с припуском 20 мм на сторону. Такая обработка, во- первых, обеспечивает правильную форму кромок, необходимую для сборки кольцевого стыка под электрошлаковую сварку, а во-вто­рых, позволяет уменьшить более трудоемкую механическую обра­ботку детали в сборе. Непостоянство усадки по длине электро - шлакового шва, вызывая поворот оси одной обечайки относительно другой, может потребовать назначения большей величины припуска. Для сохранения назначенной величины припуска 20 мм необходимы меры, по ограничению излома осей обечаек после сварки. В данном

случае это достигали за счет создания начального излома осей при сборке, противоположного ожидаемому от сварки. С этой целью X 7770 880 2960 2960 , 880 %/ ь о ^ _ 3L /////л Стык№3 2 Счлл і "1 Стык№1Стык№2х Ж «о ^\\'| $ V-S. У^/УХХХ\ХV.

Рис. 9. Вал гидротурбины Красноярской ГЭС

стык собирали с переменным зазором: 33 мм в месте начала шва и 38 мм в плоскости, повернутой на 90° от начала шва в направ­лении сварки. После выполнения среднего стыка № 1 перед общей сборкой сварная обечайка может подвергаться промежуточной механической обработке, устраняющей иска­жения от сварки. Это позволяет более пра­вильно задать положение фланцев 1 и 3 при сборке стыков № 2 и № 3 и уменьшить при­пуск на окончательную механическую обра­ботку.

Как видно из рассмотренного примера, для обеспечения требуемой точности разме­ров и формы сварного вала гидротурбины достаточно правильно задать припуски на механическую обработку. Более сложна зада­ча обеспечения требуемой точности изготовле­ния валов тепловых турбин из жаропрочных сталей, что затрудняет получение заготовок большого размера с помощью литья и ковки.

Поэтому крупные валы сваривают из поковок относительно небольшого размера и простой формы, как показано на рис. 10. При таком конструктивном оформлении детали кольцевые ШВЫ Приходится Проектировать ПОД ОДНОСТО - рис 10. Вал газовой роннюю сварку, Причем после ИХ выполнения турбины

внутри вала образуются замкнутые полости.

При искривлении оси вала от сварки наличие этих полостей приводит к появлению неуравновешенности при вращении, устра­нить которую невозможно из-за недоступности их для механической обработки. Поэтому с позиции точности изготовления требуется
хорошая центровка заготовок при сборке и сохранение прямолиней­ности оси вала при сварке. Наряду с этим к сварным соединениям вала, работающим в условиях высоких температур и знакопере­менной нагрузки, необходимо предъявить высокие требования прочности и прежде всего надежное проплавление всей толщины сварного соединения односторонней сваркой при отсутствии трещин и хорошем формировании корня шва. Однопроходная сварка не может обеспечить симметрии сварочных деформаций кольцевого шва из-за неравномерности поперечной усадки по его длине. Поэтому для данного случая приходится использовать много­проходную сварку. В соответствии с этим стык на рис. 11 имеет глубокую разделку с малым углом раскрытия кромок, конструктивное оформление его нижней части учитывает целый ряд технологических соображений в части последовательности и приемов выполнения операций механической обработки, сборки и сварки.

Рис. 11. Конструкция стыка кольцевого соединения вала ро­тора турбины

Кованые" заготовки дисков после точной механической обработки цент­рируют один относительно другого посадкой по поверхности направляю­щих поясков. Требуемую величину и равномерность зазоров в стыках при сборке обеспечивают упорными кольцами из низкоуглеродистой ста­ли, располагаемыми в кольцевых па­зах дисков. Для устранения рас­крытия стыков под действием силы тяжести сборку и сварку вала осуществляют при вертикальном положении его оси. Для предотвращения трещин при сварке первого слоя шва следует обеспечить малое сопротивление сближению кро­мок в результате поперечной усадки. Этого достигают, во-лервых, за счет смятия упорного кольца из низкоуглеродистой стали тол­щиной всего 2 мм и, во-вторых, созданием специальных наклонных пазов, увеличивающих податливость кромок в месте расположения корневого шва.

Форма разделки стыка предполагает ее заполнение с исполь­зованием различных приемов сварки. Для обеспечения симметрии сварочных деформаций корневые швы выполняют одновременно двумя диаметрально расположенными сварочными головками воль­фрамовым электродом в аргоне за счет оплавления кромок без присадки при вращении вала относительно вертикальной оси. Затем в этом же положении ряд слоев укладывают плавящимся электродом в среде С02. После заполнения таким способом нижней
части разделки вал приобретает достаточную жесткость, и основную верхнюю часть разделки заполняют многослойной сваркой под флюсом в нижнем положении при горизонтальном положении оси вала. Такая технология позволяет предотвратить искривление оси от сварки настолько, что биение сваренного вала не превышает 0,5 мм на длине 5 м.

Вопросы точности и неизменяемости размеров конструкции, ко­нечно, не исчерпываются выбором метода сварки. Существенным является учет сварочных деформаций и напряжений, назначение технологических мероприятий по их предотвращению и устранению. Проработку этого круга вопросов приходится выполнять на стадии рабочего проектирования как с целью обоснования величин до­пусков на размеры заготовок и припусков на последующую меха­ническую обработку сварного изделия, так и с позиции рациональ­ного подхода к назначению термообработки. Многие весьма ответ­ственные изделия вполне надежно работают непосредственно после сварки без какой-либо термообработки.

Неоправданное назначение операции термообработки может существенно увеличить трудоемкость изготовления изделия, в осо­бенности в условиях серийного производства. С другой стороны, применение термообработки нередко заметно улучшает механиче­ские свойства и структуру сварных соединений, способствуя повы­шению их работоспособности. Решение об отказе от применения термообработки или, напротив, о необходимости ее использования определяется химическим составом металла, выбором метода сварки и присадочного металла, конструктивным оформлением соединений и узлов, требованиями к механическим свойствам, условиям экс­плуатации и т. д. Это решение проектировщику приходится при­нимать еще на стадии проработки технического проекта при выборе величины допускаемого напряжения, необходимого для выполнения расчетов на прочность.