Проектирование червячного вала

Содержание

 

Введение

1. Проектирование  технологического процесса изготовления  “Вала червячного”

1.1 Анализ  исходных данных

1.1.1 Анализ  чертежа детали

1.1.2 Характеристики  металла, применяемого для изготовления  детали

1.1.3 Определение  объема выпуска

1.1.4 Анализ  технологичности детали

1.1.5 Формулировка  основных технологических задач

1.2 Выбор  заготовки и технико-экономическое  обоснование метода ее получения

1.3 Проектирование  маршрута изготовления детали

1.3.1 Выбор  типового технологического процесса

1.3.2 Особенности  обработки деталей на станках  с ЧПУ

1.3.3 Выявление  комплектов основных и вспомогательных  баз

1.3.4 Выбор  технологических баз

1.3.5 Выбор  оборудования

1.3.6 Маршрут  обработки детали

1.3.7 Окончательный  выбор средств технологического  оснащения

1.3.8 Расчет  режимов резания

1.3.9 Нормирование  операций

2. Проектирование  приспособлений

2.1 Технологическое  приспособление - люнет

2.1.1 Обоснование  применения

2.1.2 Устройство  и способ использования люнета

2.1.3 Необходимые  расчеты

2.2 Измерительное  приспособление - скоба двухконтактная

2.2.1 Общие  положения

2.2.2 Схемы  установки приборов активного  контроля на универсальных круглошлифовальных станках

2.2.3 Конструкция  и принцип работы прибора активного  контроля

2.2.4 Погрешности  обработки при активном контроле

2.2.4.1 Температурные  деформации деталей

2.2.4.2 Погрешности  размеров деталей, зависящие от  запаздывания отвода шлифовального круга

2.2.4.3 Погрешность  размеров деталей, связанная с  формой обрабатываемых поверхностей

2.2.4.4 Расчет  погрешности обработки при активном  контроле

2.2.5 Расчет  пружины растяжения

2.3 Контрольное  приспособление

2.3.1 Выбор  универсальных средств измерения

2.3.2 Обоснование  выбора схемы контрольного приспособления

2.3.3 Необходимые  точностные и прочностные расчеты

3. Технико  - экономическое обоснование проекта

3.1 Комплексный  анализ эффективности базового  и разрабатываемого вариантов технологического процесса

3.2 Определение  капитальных вложений

3.3 Определение  текущих издержек

3.4 Расчет  экономического эффекта

4. Обеспечение  безопасности жизнедеятельности  при изготовлении детали “Вал червячный”.

4.1 Введение

4.2 Требования безопасности к технологическим процессам

4.3 Анализ  опасных и вредных факторов, возникающих  при механической обработке резанием

4.4 Требования  к материалам, производственному  оборудованию, организации рабочих мест

4.5 Промышленная  санитария

4.5.1 Микроклимат  на рабочем месте

4.5.2 Производственное  освещение

4.5.3 Производственный  шум

4.5.4 Вибрации  на рабочем месте

4.6 Электробезопасность

4.7 Пожарная  безопасность

4.8 Обучение  работающих безопасности труда

Литература

 

Введение

 

Задачей дипломного проекта является проектирование технологического процесса вала червячного и разработка приспособлений для обеспечения высокой точности изготовления червяка. Червячный вал  предназначен для передачи крутящего  момента на червячное колесо в  делительной цепи коробки передач  зубообрабатывающего станка.

В настоящее время червячные  передачи, состоящие из червячного колеса и цилиндрического червяка, широко применяются в делительных механизмах зуборезных станков, подъемных механизмах. По сравнению с другими видами передач, червячные передачи могут передавать крутящие моменты с большим передаточным числом при небольших габаритах. Точно изготовленная червячная передача имеет высокую равномерность вращения, а высокий коэффициент скольжения при зацеплении зубьев обеспечивает передаче бесшумную и плавную работу. К недостаткам червячной передачи относятся: высокая затрата мощности на преодоление трения в зацеплении, достаточно высокий нагрев, быстрый износ зубьев и сравнительно низкий КПД (50-90%). Для уменьшения потери мощности необходимо выбирать соответствующий материал для изготовления червяков и червячных колес, использовать определенный смазочный материал; поверхность профиля зубьев должна быть гладкой. Особое внимание следует уделять точности изготовления элементов зубчатого зацепления червячной передачи, что и решается в представленном дипломном проекте.

Тема дипломного проекта является актуальной, так как продиктована производственной необходимостью и  посвящена изготовлению необходимых  в производстве червячных валов  для делительной цепи зубообрабатывающих станков.

 

1. Проектирование технологического  процесса изготовления «Вала  червячного»

1.1 Анализ исходных данных

1.1.1 Анализ чертежа  детали

Для проектирования технологических  процессов механической обработки  необходимы следующие основные исходные данные:

1. Сборочный чертеж с кратким описанием служебного назначения и технических условий приемки изделия.

2. Рабочие чертежи, определяющие материал, конструктивные формы и размеры деталей, точность и качество обработанных поверхностей, особые требования (твердость и структура материала, покрытия, термообработка, балансировка и т.п.).

3. Объем выпуска изделий, в состав которых входят изготавливаемые детали, с учетом выпуска запасных частей.

Кроме базовых исходных данных используют руководящую и справочную технико-экономическую информацию: стандарты ЕСТПП и ЕСТД; типовые технологические процессы и операции, каталоги прогрессивного технологического оборудования и оснастки; материалы по выбору режимов резания, припусков, расчетам точности и надежности технологических процессов.

Деталь представляет собой многоступенчатый червячный вал длиной 577 мм и максимальным диаметром Ø68 мм. Червяк делительный  предназначен для передачи крутящего  момента с цилиндрического червяка диаметром Ø68 мм и модулем m=3 мм, выполненным по 6-ой степени точности, на червячное колесо в делительной цепи коробки передач зубообрабатывающего станка. Червячный вал изготовлен из легированной стали 18ХГТ ГОСТ 4543-71 и проходит термическую обработку (отжиг, цементация, отпуск и др.) в процессе механической обработки для улучшения обрабатываемости и снятия остаточных внутренних напряжений.

Анализируя рабочий чертеж детали, можно сделать следующие выводы:

• чертеж в достаточной мере информативен, имеет необходимые проекции, разрезы и сечения;
• на чертеже указаны все необходимые размеры с допусками, требования к точности формы и взаимного расположения, а также требования к качеству поверхности, обеспечивающие разработку технологического процесса, проектирование и изготовление детали;
• указаны требования к материалу, физико-механическому состоянию детали;
• допуски формы, взаимного расположения поверхностей, параметры шероховатости соответствуют стандартным значениям (ГОСТ 2.308-79, ГОСТ 2.309.77).

1.1.2 Характеристики материала, применяемого для изготовления детали

Для изготовления детали применяется  сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-71. Из данной стали  изготавливаются улучшаемые или  цементируемые детали ответственного назначения, от которых требуется  повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная  твердость, работающая под действием  ударных нагрузок: оси, валы, валы-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, зубчатые венцы, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Вид поставки данной стали - сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 259071, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71.

Химический состав стали 18ХГТ приведен в таблице 1.1.

Механические свойства указаны  в таблицах 1.2. – 1.4.

Технологические свойства стали 18ХГТ  приведены в таблице 1.5.

 

Таблица 1.1

Хим. состав стали 18ХГТ, % (ГОСТ 4543-71)

Химический  элемент	Процентное  содержание, %
Кремний (Si)	0.17-0.37
Марганец (Mn)	0.80-1.10
Медь (Cu), не более	0.30
Никель (Ni), не более	0.30
Сера (S), не более	0.035
Титан (Ti)	0.03-0.09
Углерод (C)	0.17-0.23
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr)	1.00-1.30

 

Таблица 1.2

Механические свойства при повышенных температурах

Температура отпуска, °С	0,2, МПа	B, МПа	5, %	%
900	54	95	55	96
1000	50	78	58	100
1100	25	43	61	100
1200	13	25	56	100

 

Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50 мм/мин. Скорость деформации 0,03 1/с.

 

Таблица 1.3.

Механические свойства в зависимости  от температуры отпуска

Темп. отп., °С	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м2	HB
Закалка 1000 °С, масло.
200	1150	1370	11	57	98	41
300	1150	1330	10	57	78	41
400	1150	1210	9	57	78	40
450	950	940	15	66	144	32
475	720	780	20	73	216	22
500	1150	1370	11	57	98	41
550	1150	1330	10	57	78	41
600	1150	1210	9	57	78	40

 

Таблица 1.4.

Механические свойства в зависимости  от сечения

Сечение, мм	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	y, %	KCU, Дж/м2	HRCэ
Закалка 850 °С, масло. Отпуск 200 °С, воздух.
5	1320	1520	12	50	72
15	930	1180	13	50	78	38
20	730	980	15	55	113	30
25	690	980	19	50	93	28

 

Таблица 1.5

Технологические свойства стали 18ХГТ

Температура ковки

Начала 1250, конца 800.

Свариваемость

Хорошая свариваемость  всеми способами сварки.

Обрабатываемость  резанием

В нормализованном  состоянии при НВ 156-159, sB = 540 МПа Ku тв.спл. = 1.0, Ku б.ст. = 0.9.

1.1.3 Определение  объема выпуска

Тип производства – это классификационная  категория производства, выделяемая по признакам номенклатуры, регулярности, стабильности и объёма выпуска изделий.

Одной из основных характеристик типа производства является коэффициент  закрепления операций, представляющий собой отношение числа всех различных  технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест.

В проектных условиях можно полагать, что коэффициент закрепления  операций определяет число операций такой же трудоемкости, как и рассматриваемая, которое можно было бы закрепить за одним рабочим местом для полной его загрузки в течении месяца.

Тогда коэффициент закрепления  операций:

 

,     (1.1)

 

где :

tв-такт выпуска, мин;

F-месячный фонд времени односменной работы рабочего места, ч;

m-принятое число смен;

Кот-коэффициент, учитывающий простои  по организационно-техническим причинам;

Nмес-число изделий, запускаемых в производство, шт/мес;

tшт-штучное время, мин.

Планируемый годовой объем выпуска  данной детали – 1000 штук . Данный объем позволит выполнить все поступившие заказы и обеспечить потребителей необходимым количеством запасных частей.

На первом этапе проектирования тип производства может быть определен  в зависимости от массы детали и объема выпуска по таблице (1.8, [7]). При массе детали менее 20 кг (легкие детали) и годовом объеме выпуска от 501 до 5000 штук, тип производства – среднесерийный.

Объем партии:

 

,    (1.2)

 

где F – объем выпуска, a – количество дней, на которые должен быть запас деталей (периодичность запуска в днях), a = 5 дней; N – количество рабочих дней в году, примем N ≈ 240 дней.

Отсюда находим:

штук.

Тогда примем объем партии равным: деталь.

1.1.4 Анализ технологичности  детали

Правила обеспечения технологичности конструкции изделий регламентируются ГОСТ 14.201 – 83 и методическими рекомендациями МР186 – 85 .

Анализ технологичности конструкции  изделия направлен на повышение  производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении  необходимого качества.

Деталь “Вал червячный” представляет собой ступенчатую деталь без  центрального отверстия со шпоночной  канавкой, лысками для стопорения гаек, червячной и резьбовыми поверхностями. Вал обладает двухсторонней ступенчатостью (диаметральные размеры убывают  к концам вала), имеет средние  размеры и высокую точность исполнения поверхностей. Вал считается нежесткой деталью, так как отношение длины к среднему диаметру L/d>12 (L/d=577/45=12,8). Поэтому на чистовых токарных операциях и операциях чистового нарезания витков червяка из-за больших сил резания необходимо использовать базирование детали в центрах и с помощью люнета.

Обработка поверхностей на токарных операциях окончательно недопустима, так как при этом невозможно обеспечить требования чертежа по взаимному  расположению относительно общей оси  базовых поверхностей К и Л  и качеству поверхностного слоя диаметральных  и торцевых размеров детали.

Анализ технологичности данной детали позволяет сделать следующие выводы:

• конструкция детали состоит из стандартных и унифицированных конструктивных элементов (канавки для выхода шлифовального круга, резьбы, фаски и т.д.)
• физико-химические и механические свойства материала, жесткость детали, ее форма и размеры соответствуют требованиям технологии изготовления (включая процессы упрочения, коррозийной защиты и пр.), хранения и транспортирования и т.д.;
• показатели базовой поверхности (точность, шероховатость) детали обеспечивают точность установки, обработки и контроля (подробнее см. пункт 1.4);
• конструкция детали обеспечивает возможность применения типовых и стандартных технологических процессов ее изготовления;
• деталь предполагается обрабатывать в основном на станках токарной и сверлильной группы, следовательно, она имеет максимальное число поверхностей вращения и минимальное число изменений диаметра сечения (перепад диаметров между крепежным фланцем и шейкой конструктивно необходим и исключить его невозможно);
• конические переходы между ступенями вала и фаски назначены под обработку с учетом стандартных токарных проходных резцов с главным углом в плане j равным 30, 45, 60 и 90°;
• предусмотрен удобный подвод режущего инструмента к каждой из обрабатываемых поверхностей;
• габаритные размеры детали и точность их обработки соотнесены с возможностями станков с ЧПУ и станочных роботов.

К параметрам, ухудшающим технологичность  детали, следует отнести следующее:

• шпоночная канавка закрытого типа - обрабатывается концевой фрезой. Более технологичной была бы открытая канавка, при обработке которой увеличение производительности фрезерования обеспечивается за счет использования дисковой фрезы.
• червячная поверхность также является нетехнологичным элементом, так как операция нарезания витков червяка со снятием стружки производится, в основном, малопроизводительными методами.
• выступающие поверхности Н и П (см. чертеж детали) не позволяют обрабатывать цилиндрические поверхности вала без смены инструмента на токарных операциях, что увеличивает основное время обработки.

В результате можно сделать вывод, что конструкция детали в достаточной  мере технологична, за исключением  некоторых элементов, «улучшение»  технологичности которых приведет к утрате деталью своего прямого назначения.

1.1.5 Формулировка основных технологических задач

Технологические задачи охватывают требования к точности деталей по всем их параметрам и представляются в следующей последовательности:

1. Точность размеров

Самыми точными поверхностями  вала являются посадочные шейки под подшипники (Ø45k5), которые выполняются по 5-му квалитету. Вспомогательная база M для определения положения шестерни также выполнена по 5 квалитету (Ø50js5), наружный диаметр делительного червяка имеет 6-ой квалитет точности - поверхность (Ø68h6). Наружный и средний диаметры резьбовых соединений выполнены по 6-ой степени точности, характерной для резьб общего назначения. Боковые грани шпоночной канавки выполнены по 9-ому квалитету точности, а длина шпоночной канавки - по 15 квалитету. Размеры с неуказанными отклонениями выполняются по 14-му квалитету.

2. Точность формы

Наиболее точно регламентируется форма в продольном и поперечном сечениях у опорных шеек под подшипники качения. Отклонения от круглости и профиля продольного сечения составляют не более 0,0016 мм, то есть не превышают 0.5 допуска на диаметр. Требования по круглости и овальности для поверхности М не должны превышать 0,005 мм. К остальным поверхностям требования по точности формы не предъявляются. Следовательно, допуски формы этих поверхностей не выходят из поля допуска на соответствующий размер и не должны превышать 60% от поля допуска на размер этих поверхностей.

3. Точность взаимного расположения

Точность взаимного расположения цилиндрических поверхностей задана радиальным биением, а плоских поверхностей - торцевым биением относительно общей  оси базовых поверхностей КЛ. Допуски  радиального биения посадочных поверхностей под подшипники качения – не более 0.005 мм, допуск радиального биения по наружному диаметру для поверхности  червяка и допуск радиального  биения посадочной поверхности под  ведущую шестерню (поверхность М) – не более 0.008 мм. Допуски торцевого  биения буртиков вала: для правого  подшипника - не более 0.005 мм, для опорной  поверхности под шестерню - не более 0.005 мм.

Расположение оси симметрии  шпоночного паза относительно оси симметрии  наружной цилиндрической поверхности  определяется зависимым допуском симметричности с нулевым значением, то есть отклонения допустимы только за счет использования части допуска на действительный размер ширины шпоночного паза.

4. Шероховатость и физико-механические свойства поверхностей детали

Шероховатость базовых поверхностей под подшипники качения, посадочной поверхности под шестерню и торцевых поверхностей, сопрягаемых с торцом ведущей шестерни и правым подшипником, не должна превышать Ra=0,2 мкм. Шероховатость наружной поверхности червяка и боковых граней червячной поверхности - Ra = 0,4 мкм. Шероховатость посадочной поверхности под шпонку: по боковым граням - Ra = 3,2 мкм, по внутренней поверхности - Ra = 6,3 мкм. Все остальные поверхности выполняются с шероховатостью Ra 12.5 мкм, так как к ним не предъявляются особые требования по условиям работы.

К детали предъявляется требование по твердости НRC = 59..63. Данной твердости можно добиться, применив в качестве термообработки цементацию в газовом карбюризаторе и закалку с высоким отпуском для увеличения долговечности детали (параметры термообработки см. далее).

Параметры точности размеров, формы, взаимного расположения, твердости  и шероховатости заготовки см. на чертеже (прилагается), а также  в пункте, особо посвященном заготовке.

1.2 Выбор заготовки и технико-экономическое обоснование метода ее получения

 

На выбор заготовки влияют следующие  показатели: назначение детали, материал, технические условия, объем выпуска и тип производства, тип и конструкция детали; размеры детали и оборудования; экономичность изготовления заготовки. Все эти показатели должны учитываться одновременно, так как они тесно связаны. Окончательно решение принимают на основании экономического расчета с учетом стоимости метода получения заготовки и механической обработки (таб.1.13 [7]). Здесь и далее для сравнительной оценки вариантов в качестве условной единицы используется рубль 1980 г. , что может дать лишь приближенную экономическую оценку.

В качестве метода получения заготовки  предлагается горячая объемная штамповка в закрытом штампе. Преимущество данного метода перед штамповкой в открытом штампе – большая экономия материала (вследствие отсутствия значительного облоя), сокращение времени черновой механической обработки, а как недостаток можно выделить большую стоимость штампа, более жесткие требования по массе к заготовке перед штамповкой в открытом штампе.

В качестве альтернативного метода получения заготовки может использоваться резка заготовок из проката (круг Ø70 мм).

Литье как способ получения заготовки  рассматривать нецелесообразно, так  как в литой заготовке будет  отсутствовать требуемая микроструктура материала (при обработке давлением происходит дополнительное упрочнение заготовки).

Упрощенное сравнение возможных  вариантов получения заготовки  предполагает два этапа:

1) Сравнение методов получения  заготовки по коэффициенту использования  материала:

 

, (1.3)

 

где q- масса готовой детали, кг;

Q- масса заготовки, кг.

2) Сравнение методов получения  заготовки на основании расчета  стоимости заготовки  с учетом ее черновой обработки.

Рассмотрим два основных метода получения заготовки:

1. Отрезка прутка от круглого  сортового проката (рис.1.2.1);

2. Горячая объемная штамповка  заготовки на молоте (рис.1.2.2).

Наиболее простым способом получения  заготовки является отрезка прутка от круглого проката  мм длиной L:

 

, (1.4)

 

где -номинальный припуск на обработку;

=Rz + h = 0.3+1.6=1.9 мм – точность и качество поверхности после отрезки сортового проката на отрубном прессе (табл. 3, стр. 180, [1]);

=IT17/2= 7,0/2=3,5 мм – нижнее отклонение размера L=577 мм после отрезки заготовки;

=IT14/2= 1,75/2=0.875 мм – нижнее отклонение размера L=577 мм после фрезерования торцов заготовки на фрезерно-центровальной операции.

Таким образом, получаем из выражения (1.4):

 мм;

 мм.

 

Рис.1.2.1 Изготовление заготовки вала из круглого проката

 

Масса заготовки:

 

 кг,

 

где Q- масса заготовки, кг;

D- диаметр заготовки, см;

L- длина заготовки, см;

p- плотность стали 18ХГТ, кг/см .( p=7.85 кг/см ).

Масса детали:

 

Коэффициент использования материала  для заготовки из круглого сортового  проката определяется по формуле (1.3):

 

 

Рассмотрим второй вариант изготовления заготовки – горячая объемная штамповка заготовки.

 

Рис.1.2.2 Изготовление заготовки методом горячей объемной штамповки

 

Масса заготовки:

 

 

Коэффициент использования материала  для штампованной заготовки найдем по формуле (1.3):

 

Таким образом, по коэффициенту использования  материала деталь, изготовленная  штамповкой на молоте, выгоднее, чем  заготовка из круглого сортового  проката, так как .

На втором этапе производится сравнение  методов получения заготовки  на основании расчета стоимости  заготовки .