ГЛАВА XVII
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЛОКОМОТИВОВ
§ 43. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Сварные металлические конструкции (главные рамы, кузова, рамы тележек, топливные баки, воздушные резервуары и пр.) составляют в локомотивах значительную часть их массы. Поэтому сборочно-сварочные работы занимают в локомотивостроения одно из ведущих мест. В структуре трудоемкости изготовления локомотива удельный вес сборочносварочных и огнерезных работ составляет в среднем по подотрасли тепловозостроения 11,5%, уступая только обработке на металлорежущих станках и слесарно-сборочным работам. В связи с этим разработка производительных и рентабельных технологических процессов изготовления сварных конструкций локомотивов имеет важное значение.
Изготовление сварных металлоконструкций локомотивов представляет собой, как правило, сложный комплекс технологических процессов с большим числом сборочных, сварочных и других операций, при которых такие вопросы, как транспортирование сварных конструкций, базирование их деталей в процессе сборки и т. п., решаются подчас сложнее, чем, скажем, при станочной обработке заготовок. Сварная конструкция собирается часто из значительного числа деталей, различающихся по химическому составу конструкционных материалов. При сварке изменяются свойства металла в зоне термического воздействия, возникают деформации и технологические остаточные напряжения, что в ряде случаев может оказать неблагоприятное влияние на прочность сварной конструкции. Поэтому при проектировании технологических процессов изготовления сварных конструкций наряду с изложенными применительно к сборке (§ 38) особенностями следует учитывать ряд специфических требований, для чего руководствоваться указанными ниже соображениями.
- Изготовление сварных конструкций включает в общем случае следующие работы:
- контроль качества конструкционных и сварочных материалов;
- очистку листовой стали, литых, штампованных и других заготовок, являющихся составными частями сварной конструкции;
- заготовительные операции: правку, разметку, резку, подготовку кромок, гибку и т. п.;
- сборку и сварку конструкции;
- устранение технологических остаточных деформаций;
- термическую обработку сварной конструкции;
- механическую обработку резанием;
- общий контроль и испытания сварной конструкции;
- окраску и маркирование.
- Вследствие неравномерного нагрева и охлаждения металла в процессе сварки, литейной усадки расплавленного металла шва и структурных изменений в зоне термического влияния в сварных конструкциях возникают технологические напряжения и деформации.
Ограничить деформации в сварных конструкциях можно различными технологическими приемами: например, созданием при сборке узла упругих или пластических деформаций, обратных по знаку сварочным деформациям; интенсивным охлаждением сварного соединения; применением скоростной сварки с увеличенной плотностью сварочного тока, обеспечивающей высокую концентрацию теплоты; рациональной последовательностью выполнения сборочно-сварочных операций и т. п.
Значительное влияние на точность сварного узла может оказать последовательность наложения швов. Поэтому с целью уменьшения деформаций конструкции от сварочных напряжений порядок сварки должен быть четко регламентирован. Так, сварку рам тележек локомотивов ведут два сварщика параллельно с обеих сторон рамы; сварка главной рамы ведется от ее середины к концам одновременно четырьмя сварщиками. При выполнении швов большой длины короблений можно избежать, применив обратноступенчатую сварку, т. е. накладывая швы следующими один за другим участками в направлении, обратном общему приращению шва (рис. 149).
Рис. 149. Схема обратноступенчатой сварки
Необходимо также иметь в виду, что деформации могут быть увеличены при неправильном кантовании, транспортировании и хранении сварных конструкций, особенно крупных и недостаточно жестких.
- Последовательность выполнения сборочно-сварочных операций зависит от конструктивных особенностей сварного узла, заданной точности конструкции, технологических особенностей выбранного способа сварки, удобства выполнения операций и типа производства.
Правильно выбранная последовательность сборки и сварки обеспечивает повышение точности изготавливаемого узла вследствие минимальных деформаций (см. п. 2), а следовательно, уменьшение затрат на исправление деформированных конструкций (п. 4). Последовательность сварки влияет также на прочность сварного узла. Так, предел выносливости при переменных нагрузках может быть повышен в результате наложения швов сварных соединений в последовательности, благодаря которой в опасных зонах конструкции возникают остаточные напряжения сжатия. Влияние концентраторов напряжений можно снизить путем создания в опасной зоне поля напряжений обратного знака при помощи местного нагрева или наложения холостых валиков.
- Остаточные сварочные деформации устраняют механической правкой сварной конструкции в холодном состоянии и термической правкой.
Механическая правка выполняется на прессах, в вальцах, прокаткой роликами, проковкой и т. д. Термическая правка осуществляется путем несимметричного или симметричного (например, в виде точек, расположенных по спирали) местного нагрева кислородно-ацетиленовым пламенем или неплавящимся электродом (дугой или без образования дуги) с выпуклой стороны. В отдельных случаях термоправку ведут с наложением на выправляемый участок дополнительных грузов. Для ускорения остывания нагретые места иногда охлаждают водой или сжатым воздухом.
Термической правкой исправляют местные выпучины (так называемые «хлопуны») на обшивке кузовов и верхних настилах главных рам локомотивов. Правку балочных сварных конструкций (каркасов всех основных частей кузова, боковин рам тележек и т. п.) производят на гидравлических прессах. Термоправка в этом случае является вспомогательным средством.
При проектировании технологических процессов изготовления сварных конструкций необходимо иметь в виду, что правка может выполняться только рабочими высокой квалификации, является весьма трудоемкой и дорогостоящей, операцией, особенно если ее используют не на стадии изготовления узлов сварной конструкции, а для готового изделия в целом. Кроме того, правка приводит к искажению размеров и формы участков конструкции, не подвергающихся правке, к ухудшению свойств металла в зоне правки. Поэтому во всех случаях, когда это возможно, следует предусмотреть устранение правки за счет менее трудоемких процессов, предупреждающих (см. п. 2) остаточную деформацию сварной конструкции.
- Термическая обработка сварных соединений и конструкций имеет целью снятие остаточных сварочных напряжений, улучшение структуры и свойств основного металла, металла швов сварных соединений и зоны термического влияния.
Основными видами термической обработки, применяемыми при изготовлении сварных конструкций, являются: предварительный нагрев, сопутствующий нагрев, отпуск, нормализация, отжиг и др.— в зависимости от химического состава металла, его теплофизических свойств, технологии сварки, сложности конструкции, типа сварных соединений, условий работы изделия и т. п.
Сварные конструкции, подлежащие после сварки обработке резанием (например, высоконапряженные сварнолитые боковины рам тележек локомотивов), следует подвергнуть высокотемпературному отпуску для снятия внутренних напряжений. В противном случае после удаления напряженных слоев металла в результате станочной обработки (а для конструкций, не подлежащих обработке резанием, — в эксплуатации) форма и размеры изделия могут значительно измениться.
Возможность термической обработки изделия определяется габаритными размерами и сложностью конструкции, ее способностью к деформации при нагреве, наличием соответствующего термического оборудования и т. д.
При проектировании технологических процессов изготовления сварных конструкций, особенно в условиях серийного и массового производств, необходимо иметь в виду, что термическая обработка является сложной, дорогостоящей операцией, в особенности для крупногабаритных тяжелых изделий, а для некоторых громоздких конструкций она вообще не может быть применена. Во всех случаях отказ от термической обработки значительно упрощает технологические процессы изготовления сварных конструкций и снижает себестоимость изделий.
- При построении технологического процесса сборочносварочных работ возможны следующие схемы: 1) полная сборка узла или конструкции с последующей сваркой; 2) последовательная сборка и сварка конструкции наращиванием отдельных элементов; 3) сборка и сварка узлов, а затем сборка и сварка конструкции из узлов.
Первую схему используют для изготовления простых узлов, состоящих из двух-трех заготовок, а также конструкций бредней сложности, в технологических процессах изготовления которых имеется несколько сварочных операций.
По второй схеме конструкции изготавливаются в тех случаях, когда сварка полностью собранного изделия невозможна, а использование третьей схемы не обеспечивает заданной точности конструкции из-за ее недостаточной жесткости. Требуемая точность изготовления конструкции по второй схеме достигается промежуточными операциями правки. Производительность сборочно-сварочных работ сравнительно невысокая.
Третья схема используется для изготовления сложных пространственных конструкций больших размеров. Укрупнение отдельных элементов сварной конструкции в узлы с последующей сборкой и сваркой всего изделия обеспечивает доступность сварных соединений, удобство их выполнения и операционного контроля, облегчает использование высокопроизводительной технологической оснастки. Представляется также возможным производить параллельную сборку и сварку отдельных узлов, что сокращает производственный цикл изготовления сварной конструкции. Кроме того, общая деформация всей конструкции в условиях изготовления по третьей схеме может получиться меньшей (с учетом правки деформированных узлов, которая осуществляется легче, чем правка полностью сваренной конструкции). Однако малая жесткость отдельных составных частей сварной конструкции может привести при поузловом изготовлении к возрастанию деформаций от сварки. С позиции уменьшения сварочных деформаций сборка всей конструкции сразу (без расчленения на узлы) в ряде случаев оказывается более целесообразной.
Третья схема построения сборочно-сварочных работ широко используется в локомотивостроения при изготовлении главных рам, кузовов, рам тележек и т. д., причем отдельные узлы этих конструкций могут изготавливаться по первой схеме. Вторая схема реализуется условно при наращивании отдельных элементов на предварительно сваренных каркасах (остовах) конструкций.
- Для фиксации взаимного положения, размеров и формы собираемых под сварку элементов конструкции применяют короткие сварные швы, называемые прихватками. Сборка сварных конструкций, выполненных из нечувствительных к термическому воздействию сталей, осуществляется на прихватках, которые не вырубают перед сваркой. При использовании чувствительных сталей сборку конструкции на прихватках производить нельзя. Иногда по мере наложения основного шва прихватки вырубают, например при изготовлении ответственных конструкций или при наличии дефектов в металле прихватки.
Для получения в сварной конструкции точных базовых размеров применяется полужесткая сборка, выполняемая на прихватках небольшой длины и малого поперечного сечения. Соединение, определяющее базовый размер, сваривается последним; оно обычно выполняется внахлестку. В некоторых случаях сборка конструкции производится с предварительной деформацией (см. п. 2). - При проектировании комплекса технологических процессов изготовления сварной конструкции следует руководствоваться представленными ниже типовыми схемами (с учетом изложенных выше рекомендаций).
Преимущества первой схемы — облегчение станочной обработки и разгрузка крупных станков; недостаток — трудность обеспечения точности сварной конструкции; предметы производства — узлы невысокой точности с малым объемом сварки или очень крупные узлы.
Достоинствами второй схемы являются точность и неизменяемость размеров и геометрической формы узла, отсутствие в конструкции внутренних сварочных напряжений; ее недостатки — высокая трудоемкость и длительность производственного цикла; область применения второй схемы — точные конструкции, узлы с большим объемом сварки.
В третьей схеме вследствие расчленения обработки резанием последняя упрощается при повышении производительности и уменьшении загрузки крупных станков; недостаток схемы — усложнение технологического пути заготовок; область применения — крупные узлы высокой точности.
- Технологические процессы изготовления сварной конструкции следует разрабатывать одновременно с ее проектированием. На стадии разработки технического проекта изделия принимаются наиболее принципиальные и общие технологические решения с учетом технико-экономического сравнения вариантов технологического процесса. Принятые решения затем уточняются и конкретизируются при разработке рабочей конструкторской документации. В этот период определяются содержание и последовательность операций технологического процесса, методы контроля и испытаний сварной конструкции, устанавливаются необходимые средства технологического оснащения, назначаются соответствующие технологические режимы, производится нормирование технологической трудоемкости и т. п.
§ 44. ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ И ЗАПИСИ ОПЕРАЦИОННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ
В качестве примера рассмотрим технологический процесс изготовления нажимной рамки по чертежу рис. 150 в условиях среднесерийного производства.
Рис. 150. Нажимная рамка
Таблица 15
Технологический процесс изготовления нажимной рамки по чертежу рис. 150
Узел служит уплотнением воздуховода, идущего из рамы к тяговому генератору локомотива; листовые детали выполнены из углеродистой стали обыкновенного качества марок: для планок 1, 2 (толщина 2 мм) — I—III—Н Ст. Зкп ГОСТ 16523—70, для планок 3, 4 (толщина 6 мм) — В Ст. Зсп5 ГОСТ 14637—79; сетка 5 (660X210 мм) —№ 7,0—1,1 по ГОСТ 3826—66.
Технологический процесс изготовления рамки разработан на базе соответствующих типовых решений с учетом рекомендаций, приведенных в §43, и включает подготовительную, сборочные, сварочные, слесарные и контрольную операции (изготовление деталей рамки ведется по отдельным технологическим процессам). Дуговая сварка каркаса рамки (из планок 1 ... 4) выполняется полуавтоматом А-1230 в среде углекислого газа сварочной проволокой диаметром 1,2 мм марки Св-08Г2С; приварка сетки 5 к каркасу осуществляется контактной сваркой на точечной сварочной машине модели МТП-75 электродом диаметром 3 мм. Количество сварных точек при длине точечного шва 2(660—2х5+210— 2х5) мм=1700 мм и шаге 50 мм равно 1700/50шт. = 34 шт.
Использование указанных методов сварки предусмотрено чертежом сварной конструкции. В целях надлежащего прилегания сетки к каркасу рамки стыковые швы соединений планок 3 и 4 зачищают заподлицо пневматической шлифовальной машинкой. Заданный допуск плоскостности обеспечивается механической правкой сваренного узла в холодном состоянии.
Операционный технологический процесс изготовления нажимной рамки представлен в табл. 15.