Конструкции, материалы, обработка валов

Конструкции, материалы, обработка валов

ГБОУ СПО СППК

Практическая работа

Конструкции, материалы, обработка валов

Выполнил студент 357гр.

Лазутин Павел

Санкт-Петербург 2014

Валы

Валы различают по служебному назначению, конструктивной форме, размерам, конструкционному материалу. Встречаются валы бесступенчатые и ступенчатые, цельные и пустотелые, гладкие и шлицевые, валы-шестерни, а также комбинированные в различных сочетаниях. Основные виды, группы и типы валов представлены на рис. 1. По форме и положению геометрической оси валы могут быть прямые, коленчатые, кривошипные и кулачковые. Около 85% общего количества типоразмеров ступенчатых валов в машиностроении составляют валы длиной 150…1000 мм.

Наиболее часто валы изготавливают из конструкционных и легированных сталей, таких как сталь 20, 30, 35, 40, 45, 20Х, 35Х, 40Х, 50Х, 40Г2, 18ХГТ, 25ХГМ, 20ХН3А, 20ХГНМ, 19ХГН, 15ХНТ2А. Применяют сырые и термообработанные валы. Валы из высокоуглеродистых сталей подвергают как объемной закалке, так и локальной (поверхностной) закалке наиболее ответственных поверхностей с использование нагрева ТВЧ на глубину 1,5…5,0 мм (HRC 32…42), а на поверхности - HRC 59…63. Валы, изготовляемые из низкоуглеродистых сталей, цементируют или нитроцементируют на глубину 0,7…1,2 мм и после закалки и отпуска получают твердость поверхности HRC 52…60. Валы из азотируемых сталей азотируют на глубину 0,3…0,5 мм, обеспечивая твердость поверхностей HRC 40…58 [17].

вал самоцентрирующий люнет токарный

Основные схемы базирование

Основными конструкторскими базами большинства валов являются поверхности опорных шеек. Однако в качестве технологических баз их используют существенно реже. Применение таких баз при обработке наружных поверхностей, как правило, затруднительно. Особенно это касается выполнения принципа постоянства баз. Поэтому при обработке валов в большинстве случаев используют искусственные технологические базы, которыми являются центровые отверстия с обоих торцов заготовки. Принимая в качестве технологических баз центровые отверстия или центровые фаски на большинстве операций, решается задача повышения точности взаимного расположения обработанных поверхностей не только за счет соблюдения принципа постоянства баз, но и за счет минимизации в целом погрешности установки заготовки в центрах.

Рис. 1. Основные группы и типы валов, применяемых в машиностроении

Технологической базой могут служить торцовые поверхности вала, что исключает погрешность базирования при обработке в центрах для линейных размеров, проставленных от таких торцов. Для использования левого торца вала в качестве базы при токарной обработке применяют плавающий передний центр. Это дает возможность передавать обрабатываемой заготовке крутящий момент с помощью торцовых поводковых устройств [5, с.265], например, поводковую зубчатую шайбу [8, с. 224…226] или штырьковый патрон [9, с. 107…108].

Крутящий момент наиболее часто при обработке валов передается с помощью поводковых патронов (ГОСТ 2571), поводковых хомутиков (ГОСТ 2578) и тому подобных устройств. На круглошлифовальных станках для повышения точности взаимного положения шлифуемых поверхностей используют специальные компенсирующие поводковые хомутики [11, с.77; 14, с. 255].

В последние годы для токарной обработки валов (и других изделий типа тел вращения, длина которых существенно превышает диаметр), расширяется применение в качестве технологических баз поверхностей отдельных шеек. Это связано с распространением самоцентрирующих люнетов (рис. 2), в т. ч. с программируемым подводом, отводом, перемещением. В таких случаях вал крайней левой шейкой базируется в кулачках самоцентрирующего патрона с упором в торец, а крайней правой - на роликовых опорах самоцентрирующего люнета. Вместо люнета возможно использование заднего центра, если имеется центровое отверстие или центровая фаска.

а)

б)

в)

Рис. 2. Самоцентрирующий люнет: а - общий вид; б - заготовка установлена в трехкулачковом самоцентрирующем патроне и самоцентрирующем люнете; в - схема конструкции: 1 - центральная опора, 2 - рычаги, охватывающие заготовку, 3 - задний центр (грибковый). Центральная опора и рычаги самоцентрирующего люнета оснащены роликами.

В процессе выполнения операции самоцентрирующий люнет и задний центр могут свою базирующую роль осуществлять попеременно, заменяя друг друга по необходимости. Последнее особенно рационально для обработки за один установ как наружных, так и внутренних поверхностей валов и других заготовок с центральным отверстием или выточками на торце (см. рис. 1). На рис. 3 приведен операционный эскиз подобной токарной операции.

Рис. 3. Операционный эскиз токарной операции обработки вала, имеющего центральное отверстие, с использованием самоцентрирующего люнета и заднего центра

Остановимся на этой операции подробнее. Будем считать, что до начала точения наружные обрабатываемые поверхности, включая торец, являются черными, т. е. имеют низкую точность (прокат, поковка, литье). Центральное отверстие в исходной заготовке отсутствует. Левая сторона вала обработана на предыдущей операции. При установке заготовки короткий участок крайней левой шейки базируется в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с упором в торец. Последнее обеспечивает ее ориентацию в осевом направлении. Крайняя правая шейка достаточного размера базируется в самоцентрирующем люнете (схема базирования на рис. 3 показана штриховыми линиями).

В начале операции без вращения заготовки, используя приводное устройство, сверлится центровое отверстие (до сверления предварительно может быть выполнено фрезерование торца). В образованное отверстие вводится задний центр, он начинает выполнять базирующую роль (схема базирования на рис. 3. показана у торца вала). После отвода самоцентрирующего люнета обтачиваются наружные поверхности. В завершении обтачивания вновь подводится самоцентрирующий люнет (к обточенной шейке диаметром 100,6 мм на рис. 3) и обрабатываются правый торец и поверхности, относящиеся к центральному отверстию, включая центровую фаску. Последняя будет являться базовой поверхностью при шлифовании отдельных точных шеек после закалки, азотирования или цементации.

Типовой маршрут технологического процесса изготовления вала

Заготовительная

Исходными заготовками для валов могут быть:

горячекатаный и холоднотянутый прокат [8, c. 171…172; 10, с. 154…161]. Разрезая прутки получают штучные заготовки. Рационально применять при малых перепадах диаметров отдельных ступеней. В единичном и мелкосерийном производстве это требование смягчается.

Горячекатаный прокат

Для получения штучных заготовок из проката наиболее часто

рубят пруток на прессе с использованием штампов и без них;

разрезают прутки дисковыми пилами на фрезерно-отрезных станках;

разрезают абразивными отрезными кругами на абразивно-отрезных станках;

разрезают посредством лент, используя ленточно-пильные станки.

заготовки, полученные методами пластической деформации и 'обеспечивающие приближение формы и размеров к детали, а также снижение расхода материалов (свободная ковка, штамповка (ГОСТ 7505-89) в открытых и закрытых штампах на прессах, молотах, горизонтально-ковочных машинах, периодический прокат, обжатие на ротационно-ковочных машинах, электровысадка) [8, с. 134…160; 10, с. 162…173];

литье (заготовки из чугуна для коленчатых и распределительных валов) [12, с. 154…174].

Правильная (применяется для проката) [10, с. 160…162]

Заготовки часто правят на прессе. В массовом и крупносерийном производстве операция может производиться до отрезки заготовки. В этом случае правиться весь пруток на правильно-калибровочном станке.

Термическая

Выполняется нормализация или улучшение, реже отжиг, например, для стали 35Х.

При нормализации происходит полная фазовая перекристаллизация стали, увеличивается количество перлита, сорбита или троостита, устраняется крупнозернистая структура, формируемая при литье, прокатке, ковке или штамповке. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига, обеспечивая более высокую твердость (НВ 187…229) и прочность по сравнению с отжигом. Несмотря на это обрабатываемость повышается: увеличивается период стойкости инструмента, снижается уровень шероховатости обработанных поверхностей.

Улучшение (закалка с высоким отпуском (твердость НВ 225…302) производят для средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей (сталь 45, 40Х). Улучшение по сравнению с отжигом и нормализацией обеспечивает более высокие временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и ударную вязкость. Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений, снижает опасность развития трещин, уменьшает остаточные напряжения. Часто выполняют после черновой обработки.

Отжиг обеспечивает фазовую перекристаллизацию, устраняет химическую и физическую неоднородность, созданную предшествующей обработкой из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации. Измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости отливок, поковок, сортового и трубного проката. Понижая прочность и твердость, повышает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистой стали.

Фрезерно-центровальная (или токарная)

На этой операции подготавливают технологические базы. Обрабатывают торцы и центровые отверстия. Обеспечивается точность IT 11…14, шероховатость - Ra = 6,3-12,5 мкм. Эту операцию выполняют следующим образом:

в единичном производстве подрезают и центруют торцы на универсально-токарных станках последовательно за два установа;

универсально-токарный станок CA6140A x 750

в серийном производстве подрезку торцев выполняют раздельно от центрования на горизонтально-фрезерных (а) или продольно-фрезерных станках (б), а центрование - на одностороннем или двухстороннем центровальном станке. Применяются также фрезерно-центровальные полуавтоматы (мод. МР-37, МР-71, МР-73, МР-76М, 2Г942 и др.) последовательного действия с установкой заготовки по наружному диаметру в призмы, в том числе самоцентрирующие, и базированием в осевом направлении по упору (см. рис. 4);

а)б)

в массовом производстве применяют фрезерно-центровальные станки барабанного типа (мод. МР-77, МР-78), которые одновременно фрезеруют и центруют две заготовки без снятия их со станка.

Более производительным методом является одновременная обработка торцов и центровых отверстий специальными головками [7, с. 50].

На современных фрезерно-центровальных станках благодаря применению многоинструментальных головок можно выполнять растачивание отверстий, обтачивание концов валов, сверление отверстий на фланце и другие технологические переходы [7, с. 51].

Форму и размеры центровых отверстий назначают в соответствии с их технологическими функциями по ГОСТ 14034-74.

Для нежёстких валов (отношение длины к диаметру более 12) обрабатываются шейки под люнеты.

Рис. 4. Операционный эскиз фрезерно-центровальной операции

Для коротких валов (ориентировочно до 200 мм) отдельная операция по подготовке технологических баз может быть исключена, а центровые отверстия и торцы совместно с другими поверхностями обрабатывают на токарных операциях, базируя заготовку по шейкам в самоцентрирующих патронах. Это рационально при наличии удобных базовых поверхностей достаточной длины и приемлемой жесткости заготовки (рис. 5).

Рис. 5. Операционный эскиз токарной операции

Токарная (черновая)

Выполняется за два установа на одной операции или каждый установ выносится как отдельная операция.

Обтачиваются наружные поверхности (с припуском под чистовое точение) и прорезаются канавки. Обеспечивает точность IT 10…14, шероховатость - Ra= 6,3….12,5 мкм. В зависимости от типа производства операцию выполняют:

в единичном производстве на токарно-винторезных станках;

в мелкосерийном - на универсальных токарных станках с гидросуппортами типа КСТ-1 и станках с ЧПУ

в крупносерийном и массовом - на многошпиндельных многорезцовых полуавтоматах; мелкие валы могут обрабатываться на токарных автоматах.

Наиболее широко применяются токарные гидрокопировальные станки (мод. 1712, 1Н713, 1716Ц, 1719, 1722, 1723, 1Б732, 1Б732Ф3, 1А751П). В автоматическом цикле они выполняют одно- и многоходовое точение наружных и торцовых поверхностей заготовок (рис.6). При контурном точении одним резцом возможна обработка валов низкой жесткости. За один установ можно вести черновую и чистовую обработку цилиндрических и конических поверхностей, а также прорезание канавок. Во многих случаях применение гидрокопировальных станков экономически целесообразно при партии заготовок более 10 штук [7, с. 53…54].

Обработка на токарных многорезцовых станках типа 1А720(a), 1721, 1А730(б) [8, с. 276…278] сокращает основное время, но не позволяет совместить черновую и чистовую обработку в одной операции. Одновременное участие в работе нескольких инструментов увеличивает силовое воздействие на технологическую систему, что повышает требования к ее жесткости.

Рис. 6. Операционный эскиз токарной гидрокопировальной операции

Горизонтально-сверлильная

Используется для валов с центральным отверстием (см. рис. 1). Сверлится глубокое центральное отверстие. К глубоким относят отверстия, диаметр которых превышает их длину более чем в 5 раз. Обеспечивается точность IT 9…14, шероховатость - Rz = 5…40 мкм. При использовании двухсторонних станков сверление производится с двух сторон одновременно, что не только повышает производительность, но и снижает погрешность обработки отверстия, вызываемую уводом сверла. На односторонних станках упомянутую погрешность также можно уменьшить, если обработку выполнить за два установа, осуществляя сверление вначале с одной, а затем с другой стороны.

В отдельных случаях, если позволяют технологические возможности оборудования, сверление глубокого отверстия рационально выполнить на предыдущей токарной операции, в том числе удлиненными спиральными сверлами (l / d до 10). Однако при работе этими сверлами стружечные канавки забиваются стружкой. Для ее удаления требуется периодически выводить сверло из отверстия. Лучшее удаление стружки обеспечивают спиральные сверла с отверстиями для подвода СОЖ. Наиболее надежное удаление стружки из зоны резания без вывода сверла из отверстия обеспечивают шнековые сверла (l / d до 40).

Для сверления отверстий, имеющих отношение l / d свыше 10, часто приходится использовать специальные станки для глубокого сверления, например, ОС-801, ОС-802 и др. Применяют сверла одностороннего резания с внутренним подводом СОЖ и наружным отводом стружки, а также сверла с наружным подводом СОЖ и внутренним отводом стружки, в том числе эжекторные [15]. Кроме сверл сплошного сверления используют сверла кольцевого сверления (d > 80 мм).

В единичном и мелкосерийном производстве при использовании токарных обрабатывающих центров глубокое центральное отверстие может обрабатываться на токарных операциях (см. рис. 3).

Токарная (чистовая)

Аналогична операции 025. Производится чистовое точение (с припуском под шлифование). Обеспечивается точность IT 9…12, шероховатость - Ra = 1,25…..3,2 мкм.

Следует подчеркнуть, что продолжает сохраняться и расширяться использования принципа совмещения черновых и чистовых переходов в одной операции и не только в мелко- и среднесерийном производстве.

Наблюдается устойчивая тенденция использования токарных обрабатывающих центров (ТОЦ) для мелко- и среднесерийного производства. Применение такого оборудования для токарных операций позволяет обеспечить высокую концентрацию технологических переходов не только токарных, но и фрезерных, сверлильных, резьбонарезных (см. например, операции 040, 045), а в отдельных случаях зубофрезерных, шлицефрезерных, долбежных (см. операции 050, 055) и других технологических переходов.

Фрезерная

Фрезерование шпоночных пазов [5, с. 273…274; 7, с. 59…60; 8, с. 327…328; 13, с. 35…39], канавок, скосов, выемок, граней, лысок и других поверхностей. Обеспечивается точность IT 9…14, шероховатость Ra = 2,5…6,3 мкм.

Шпоночные пазы в зависимости от их конструкции обрабатывают либо дисковой фрезой (если паз сквозной или полуоткрытый) на горизонтально-фрезерных станках (рис. 7), например, мод. 6Р80, 6Р81Г, 6Р82Ш, 6Р83; либо пальцевой фрезой (если паз глухой) на вертикально-фрезерных станках (мод. 6Р10, 6Р11МФ3-1, 6Р12, 6Р13РФ3, 6540, 6550, 6550РФ3), например, за один или несколько ходов. В серийном и массовом производствах для получения глухих шпоночных пазов применяют шпоночно-фрезерные полуавтоматы, например, мод. ДФ-96, 692А, 6930, работающие маятниковым методом двузубыми шпоночными фрезами.

Для фрезерования нескольких одинаковых поверхностей, расположенных на одной шейке по окружности используют делительные приспособления. Возможна обработка и за несколько установов.

Рис. 7. Операционный эскиз горизонтально-фрезерной операции

Сверлильная

Сверление всевозможных отверстий. Обеспечивается точность IT 9…14, шероховатость Rz = 10…40 мкм.

Используются вертикально-сверлильные (мод. 2Н106П, 2М112, 2Н118, 2Н125Л, 2Н125, 2Н135)-(а), радиально-сверлильные станки (мод. 2М55, 2554, 2Ш55, 2Р53, 2М57, 2М58)- (б), а также сверлильные станки с ЧПУ.

Если используется вертикально-сверлильный станок, то, как правило, для обработки нескольких отверстий, расположенных на одном диаметре, необходимо применять делительное устройство (см. рис. 8) или многошпиндельную головку (в крупносерийном и массовом производстве).

Радиально-сверлильный станок отличается большей универсальностью, но для обработки отверстий необходимо использовать накладные или скальчатые кондукторы (в серийном производстве). В единичном и мелкосерийном производстве иногда целесообразно сверление производить по разметке.

Кроме сверления на подобных операциях выполняют технологические переходы зенкерования, зенкования, развертывания, нарезания резьбы метчиками. Для установки инструментов используют быстросменные патроны, сокращающие вспомогательное время.

Рис. 8. Операционный эскиз вертикально-сверлильной операции

Шлицефрезерная

Шлицевые поверхности на валах чаще всего фрезеруют методом обкатывания червячной фрезой на шлицефрезерных или зубофрезерных станках, например, мод. 5350А, 5А352ПФ3. Наиболее высокую точность обеспечивает базирование заготовки в центрах по сравнению с патроном (для длинных заготовок) или в оправке с обратным конусом, если невозможен привод заготовки хомутиком, когда шлицы с одной и другой стороны выходят к опорным шейкам небольшой длины [5, с.267…268].

При диаметре шейки вала более 80 мм шлицы фрезеруют за два рабочих хода.

Другие методы получения шлицевых поверхностей используются существенно реже [5, с.268…273; 7, c. 60…63; 13, с. 39…45]. В массовом и крупносерийном производстве используют также контурное строгание, точение, протягивание и накатывание, которые отличаются большей производительностью особенно при большой длине шлицев.

Зубофрезерная (или зубострогальная)

Выполняется аналогично предыдущей шлицефрезерной операции. На вал-шестернях фрезеруется зубчатый венец червячными фрезами методом обкатывания [16, 17]. Обеспечивается 6…8 степень точности зубчатого венца, шероховатость поверхности Rz = 10…40 мкм. Заготовка базируется в центрах. Используются шлице-зубофрезерные станки типа 5313, 5А326 и др.

Для конических вал-шестерен может использоваться зубострогальная или протяжная операция [5, с. 380…393; 7, с.147…154]. В качестве баз используют поверхность шейки и торец.

Резьбонарезная

На закаливаемых шейках резьбу изготавливают до термообработки. Если вал не подвергается закалке, то резьбу часто нарезают после окончательного шлифования шеек (для предохранения резьбы от повреждений). Мелкие резьбы у термообрабатываемых валов получают сразу на резьбошлифовальных станках. Внутренние резьбы нарезают машинными метчиками на сверлильных, револьверных и резьбонарезных станках в зависимости от типа производства. Наружные резьбы нарезают [5, 275…276; 13, с. 45…54]:

в единичном и мелкосерийном производствах на токарно-винторезных станках плашками, резьбовыми резцами или гребёнками;

в мелкосерийном и серийном производствах резьбы не выше 7-ой степени точности нарезают плашками, а резьбы 6-ой степени точности - резьбонарезными головками на револьверных и болторезных станках;

в крупносерийном и массовом производствах - гребёнчатой фрезой на резьбофрезерных станках или накатыванием.

Зубошевинговальная

Выполняется для вал-шестерен с твердостью зубчатого венца до HRC_э 33 [5, с.367; 8, с. 349…352, 12, с. 108…111] (см. типовые маршруты обработки зубчатых колес п. 4). Заготовка базируется в центрах.

Термохимическая (или термическая)

Цементация или азотирование.

Объёмная или местная закалка (согласно ТУ на чертеже детали).

Исправление центров (центрошлифовальная)

Перед шлифованием шеек вала, обычно точнее IT7, центровые отверстия, которые являются технологической базой для большинства операций, подвергают шлифованию коническим кругом за два установа на центрошлифовальном станке, например, мод. МВ119, МВ149, 3922Р. В единичном и мелкосерийном производстве возможна притирка или приработка центровых отверстий с использованием твердосплавных центров.

Р

Круглошлифовальная

Шейки вала шлифуют на круглошлифовальных (рис. 9) или бесцентрово-шлифовальных станках. Обеспечивается точность IT 5…11, шероховатость Rz = 1…10 мкм [11, 14]. Как правило, базирование заготовки на круглошлифовальных станках выполняется в центрах; на универсальных круглошлифовальных - возможно шлифование в патроне.

Круглошлифовальный станок.

Торцекруглошлифовальные станки (мод. 3Т153Е, 3Т153ДФ2, 3Б153Т, 3Т160, 3Т160ДЛФ20, 3Т161Е позволяют с высокой производительностью выполнять одновременное шлифование цилиндрической и прилегающей торцовой поверхностей, что обеспечивает максимально высокую точность их взаимного расположения [11, 14].

Т153Е

Рис. 9. Операционный эскиз круглошлифовальной операции

Шлицешлифовальная

Шлицы шлифуются [14] в зависимости от вида центрирования:

центрирование по наружному диаметру. Шлифуется наружная цилиндрическая поверхность на круглошлифовальных станках; в случае необходимости и боковых поверхностей шлицев на шлицешлифовальном полуавтомате, например, одновременно двумя кругами с делением; впадина (внутренняя поверхность) шлицев не шлифуется;

центрирование по внутреннему диаметру. Шлифуется поверхность впадины и боковые поверхности шлицев либо профильным кругом одновременно (рис. 10), либо в две операции.

Заготовка, как правило, базируется в центрах.

Используются шлицешлифовальные станки мод. 3451, 3Б451П, 3П451С, 3В451ВФ20 и др.

Рис. 10. Операционный эскиз шлицешлифовальной операции

Зубошлифовальная (или зубохонинговальная)

Выполняется для вал-шестерен (см. типовые маршруты обработки зубчатых колес п. 4). Заготовка базируется в центрах.

Следует обратить внимание на следующую особенность: финишные процессы зубообработки, как правило, производятся однократно до или после термической (термохимической) обработки. Например, применяют зубошевингование или зубошлифование (зубохонингование). Однако в ряде случаев рационально до закалки производить шевингование, а после ее - зубохонингование, что существенно повышает стойкость зубчатых хонов. Повышение стойкости зубчатых хонов связано со снижением уровня коробления зубьев после закалки.

Зубошлифование основной метод финишной обработки закаленных зубчатых колес выше 8-ой степени точности [5, с. 367…368; 7, с. 144…147; 8, с. 353…354; 14]. Применяются станки мод. 5Д831, 5В833, 5М841, 5А851, 5А868, 5А893С и др.

Д831 5А851

Зубохонингование целесообразно применять в серийном и массовом производстве для финишной обработки (Ra до 0,32 мкм), зубчатые венцы которых до зубохонингования не имеют значительных погрешностей (короблений), заусенцев и забоин [5, с. 368…369; 7, с.147; 8, с. 353; 12, с. 113…114]. Обеспечивается существенное повышение точности зубчатого венца, связанной с плавностью работы, что резко снижает уровень шума при эксплуатации зубчатых колес.

Моечная

Контрольная