Расчет зубчатого колеса

 

Введение  

1.Перспективы развития машиностроения.

Машиностроение - важнейшая отрасль  тяжелой промышленности, производящее орудия труда, предметы личного потребления, а так же продукцию оборонного значения. Машиностроению принадлежит ведущая роль в ускорении научно-технического процесса в народном хозяйстве, в ускорении роста производительности труда, в повышении эффективности общественного производства, в повышении  материального, культурного уровня жизни народа. Главным направлением научно-технического прогресса в машиностроении является повышение технического уровня и качества машиностроительной продукции, выпуск машин и оборудования для исключения ручного монотонного тяжелого ручного труда. Улучшение качества металлообрабатывающего оборудования, в том числе и станков с ЧПУ, автоматических манипуляторов с ЧПУ, технической оснастки, средств автоматизации и др. Высшей целью экономической стратегии остается неуклонный подъем материального и культурного уровня жизни народа. Реализация этой цели требует ускорения социально-экономического развития, повышения эффективности производства на базе научно-технического прогресса.

 В настоящее время существенно  возросли и усложнились технико-экономические  связи предприятий, неизмеримо  повысилась роль научной организации труда, планирования и управления в ускорении социально-экономического развития, повышения эффективности производства и качества продукции.

Основные задачи экономического и социального развития обязывают поднять на качественно новую ступень производственные силы и производственные отношения, кардинально ускорить научно-технический прогресс, обеспечить быстрое передвижение вперед на стратегических направлениях развития экономики, создать производственный потенциал, равный по своему масштабу мировым эталонам машиностроения.

 

 

2.Задачи, поставленные перед  учащимися.

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов, от всемерного внедрения методов технико-экономического анализа, обеспечивающего решение технических вопросов и экономическую эффективность технологических и конструкторских разработок.

Значение постановки всех этих вопросов при подготовке квалифицированных         кадров специалистов производства, полностью овладевших инженерными методами проектирования производственных процессов, очевидно. В связи с этим в учебном процессе значительное место отводится самостоятельным работам, выполняемым студентами старших курсов, таким, как курсовое проектирование по технологии машиностроения.

Курсовое проектирование закрепляет, углубляет и обобщает знания, полученные студентами во время лекционных и практических занятий по «Технологии машиностроения». В процессе дипломного проектирования студент выполняет комплексную задачу по курсу «Технология машиностроения», подготавливаясь к выполнению более сложной задачи — дипломному проектированию. Наряду с этим курсовое проектирование должно научить студента пользоваться справочной литературой, ГОСТами, таблицами, номограммами, нормами и расценками, умело, сочетая справочные данные с теоретическими знаниями, полученными в процессе изучения курса, формировать и закреплять теоретические знания студентов, приобретается опыт самостоятельного решения практических и профессиональных задач. Для выполнения поставленной задачи необходимо изучить прогрессивные направления развития технологических методов и средств и на основании анализа и сопоставления качественных и количественных показателей дать свои предложения.

При курсовом значительное внимание уделяется экономическому обоснованию методов получения заготовок, выбору вариантов технологических процессов и т. п., с тем, чтобы, в конечном счете, в проекте был предложен оптимальный вариант  технологического процесса изготовления зубчатого колеса.

 

 

                 1.  Назначение и конструкция детали

Зубчатое колесо представляет собой диск с прямозубой шестерней с корригированным эвольвентным зубом. Профиль шлицев прямобочный с фланком. Предназначение зубчатого колеса – передача крутящего момента другому валу, при заданном передаточном отношении частоты вращения. Основные механизмы, в которых применяются валы подобной конструкции: коробки передач автомобилей, редукторы, коробки подач.

В конструкции зубчатого колеса имеется отверстие, используемое как технологическая база для изготовления детали.

Зубчата поверхность с корригированным эвольвентным зубом с числом зубьев Z=30 и модулем m=6мм. Ширина зубчатого колеса составляет 52мм. Диаметр окружности вершин зубьев d_a=102мм. С обеих сторон зубчатого колеса имеются фаски 1,5´15^о.

К детали предъявляются  высокие и жесткие требования по шероховатости некоторых поверхностей и техническим требованиям. Радиальное биение поверхностей не более 0,025мм относительно оси зубчатого колеса .

2. Технологичность конструкции детали:

Технологичность – это  достижение не только эксплуатационных требований, но и наиболее рационального  и экономического изготовления деталей. Сюда входит снижение трудоемкости и  металлоемкости, возможность обработки детали наиболее производительным методом. Высокая технологичность конструкции детали позволяет снизить себестоимость её изготовления.

Проведем анализ технологичности.

Конструкция вала допускает  обработку некоторых поверхностей на проход. Конструктивные особенности детали не препятствуют свободному доступу режущего инструмента к обрабатываемым поверхностям. Для повышения жесткости вала переходы от ступени к ступени должны последовательно увеличиваться в диаметре, что соблюдается при обработке с двух установов. Сначала необходимо обработать деталь с одной стороны, затем перевернуть для обработки с другой стороны. Жёсткость детали позволяет не ограничивать назначаемые режимы резания и обеспечивает получение высокой точности обработки.

Вывод: по всем показателям конструкция детали технологична

    Технические условия на материал детали

Анализ марки стали

Конструкционная, качественная углеродистая сталь 45 ГОСТ 1050-88

     Поковки и штамповки: ГОСТ 1133-90

Заменитель: 30ХГТ, 18ХГТ

Назначение–детали с тонкими сечениями упрочняемых элементов зубчатого колеса среднего модуля. После поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ – детали, к которым предъявляются требования высокой износостойкости при вязкой сердцевине, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях.

Химический состав, % (ГОСТ 1050-88)   Таблица№2.1

С	Si	Mn	Cr	S	P	Cu	Ni	As
		Не более
0,42-0,5	0,1-0,3	0,2	0,15	0,04	0,035	0,25	0,25	0,08

 

Механические свойства       Таблица№2.2

Состояние поставки, режимы термообработки	Сечение	s0,2	sв	d5	y	KCU Дж/см2	HRCэ
		МПа		%
		Не менее
Сталь горячекатаная, кованая после нормализация.	25	315	600	12	28	-	-
Нормализация 850оС	130	300	600	10	25	35	22
Закалка 850оС, на воду.	6	1900	2100	3	25	20	58
Отпуск 180оС, выдержка 1,5 ч.	6	2100	2300	5	30	40	69

s_0,2–предел текучести условный

s_в–предел прочности при растяжении

d₅–относительное удлинение после разрыва

y-относительное сужение

KCU–ударная вязкость

HRC_э–твердость по Роквеллу, шкала С

Технологические свойства

Температура ковки, ^оС: начала 1265, конца 1080

Свариваемость – не применяется  для сварных конструкций

Флакеночувствительность – не чувствительна

Склонность к отпускной  хрупкости – не склонна  [Л.1, стр.78]

Технические условия  на материал

При индукционной закалке  главными факторами, повышающими конструктивную прочность и служебные свойства деталей являются: большое измельчение (в 10-100 раз) зерна аустенита по сравнению с величиной зерна после печной термообработки, создание благоприятной эпюры остаточных напряжений в поверхностных слоях (напряжение сжатия до 500-700 МПа). Закалка индукционным нагревом обеспечивает более высокую прочность, и поэтому его применяют для закалки тяжелонагруженных деталей, подвергаемых высоким изгибающим, крутящим и контактным нагрузкам. Такие требования достигаются применением сталей типа ПП, модифицированных алюминием и титаном, затормаживающим рост зерна. Использование сталей типа ПП позволяет экономить металл благодаря повышению долговечности и надежности деталей машин и их несущей способности, экономить легирующие элементы, снизить стоимость термообработки.

 

3.Определение типа производства

Годовой объем выпуска  деталей по заданию составляет 100000 штук. Исходя из объема партии и массы детали, равной 1,6, используя таблицу 3.1 [Лит8Стр.24], определяем, что тип производства – массовый.

Массовое производство характеризуется изготовлением изделий, выпускающиеся постоянно, с определенным тактом выпуска. Технологический процесс разбит на отдельные самостоятельные операции, выполняемые на различных станках. Широко применяются специальные и специализированные станки, а в некоторых случаях и универсальные станки, настроенные на определенные операции. Кроме того, используются агрегатные станки из стандартных узлов с силовыми головками для обеспечения быстрого монтажа станочного агрегата по определенным операциям. Используются станки с числовым программным управлением; одновременная многолезвийная обработка деталей на универсальных станках путем применения резцовых державок на токарных станках, составных фрез на фрезерных, многосверлильных головок на сверлильных станках. Станки оснащаются специальными приспособлениями, гидрокопировальными суппортами, поворотными столами, пневматическими и гидравлическими зажимными приспособлениями, специальные режущие инструменты, что значительно сокращающими вспомогательное время.

 

4.Выбор метода получения заготовки

Выбрать заготовку означает определить рациональный метод её получения, наметить припуски на механическую обработку каждой из обрабатываемых поверхностей, указать размеры заготовки и установить допуски на неточность их изготовления.

В машиностроении основными  видами заготовок для деталей  являются отливки, поковки и различные  профили проката. В настоящее  время возможно большее сокращение обработки металлов резанием, что достигается путем изготовления заготовок, приближающихся по форме, размерам и качеству поверхности к готовым деталям. Такие заготовки обеспечивают повышение технико-экономической эффективности:

Уменьшается расход металла  вследствие уменьшения припусков, снижается трудоемкость механической обработки и потребность в металлорежущем инструменте и станках, уменьшается себестоимость изготовления.

При рассмотрении двух способов получения заготовок, ориентировочно определяем целесообразность выбора заготовки путем их сравнения по коэффициенту использования материала.

Для выбора оптимального метода получения заготовки рассмотрим два предпочтительных варианта, учитывая серийное производство – прокат и поковка.

1 Вариант–отливка По точности и шероховатости поверхностей обрабатываемой детали определяем промежуточные припуски по таблицам. За основу расчета промежуточных припусков принимаем наружный диаметр детали Æ102 мм. Припуски на подрезание торцовых поверхностей определяем по таблице 3.12 [Л.2], а припуски на обработку наружных поверхностей (черновое и чистовое точение)–по таблице 3.13 [Л.2]

При черновом точении  припуск на обработку составляет 4,5мм, а при чистовом–2мм на диаметр.

Расчетный размер заготовки  по диаметру:

D_{р. з}=D_д+П=102+(4,5+2)=108,5мм

По расчетным данным заготовки выбираем необходимый диаметр отливки обычной точности по ГОСТ 2590-71

Принимаем D_пр=5мм

Допуск на диаметр равен  мм

Припуск на подрезку торцовой поверхности равен 1,2мм

Общая длина заготовки: L_з.=L_д+2П_подр=52+2´1,2=55,2мм

Исходя из предельных отклонений, общую длину заготовки  округляю до целого числа, принимаю–55мм

Объем заготовки:

V_з=p´R²´L_з=3,14´3,75²´32,1=1417,42см³

Масса заготовки:

m_з=g´V_з=7,85´1417,42=2666666гр»2,7кг

Эскиз

g-плотность материала, гр/см³

Определим коэффициент использования материала:

К_{и. м}=mд/mз=1,6/2,7=0,6-(60%)

2 Вариант- штамповка

Заготовка изготавливается  методом горячей объемной штамповки

на горизонтально-ковочной машине в закрытых штампах.

Припуск на диаметр до 102мм равен 2,0мм.

Припуск на торец-1,0мм.

Допуск на диаметр  до 50мм равен  мм, свыше 50мм равен мм              [Л.4 табл.48]

 

Группа сложности штампованной поковки-2

Штамповочные уклоны 3°, радиуса скруглений 1,5мм

Для определения объема заготовки необходимо разбить деталь на отдельные фигуры - ступени вала с учетом припусков.

V₁=p´R ´L=3,14´1,32²´2,55=13,951cм³;

V₂=3,14´1,995²´8,35=104,352см³;

V₃=3,14´2,195²´3,2=48,411см³;

V₄=3,14´3,475²´6,9=261,63см³;

V₅=3,14´2,395²´0,7=12,607см³;

V₆=3,14´1,845²´8,0=85,509см³;

V₇=3,14´1,195²´2,3=10,313см³;

V=V₁+V₂+V₃+V₄+V₅+V₆+V₇=536,773см³

Масса заготовки:

m_з=g´V=7,85´536,773=2003гр»2кг

Определим коэффициент  использования материала:

К_и.м.=m_д/m_з=1,6/2=0,8-(80%)

Показатели и данные расчетов сводим в таблицу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наименование показателей	Вариант получения заготовки
	Отливка	Поковка
Класс точности	2	2
Масса заготовки (кг)	2,7	2
Стоимость 1 т. (руб.)	117630	120550
Стоимость 1 т. стружки (руб.)
Стоимость 1 заготовки (руб.)	317	241
Ким., %	60	80

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчеты показывают, что  заготовка, полученная методом горячей  объемной штамповки на ГКМ более  экономична по использованию материала  и цене за 1 заготовку, отливка. При изготовлении заготовки методом штамповки значительно сокращается число последующих операций механической обработки, а значит и трудоемкость её изготовления, поэтому выбираем в качестве заготовки - поковку.

Эскиз штампованной заготовки прилагается.

                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор рационального маршрута обработки.

№	Наименование операции содержание переходов	Оборудование	Приспособление	Режущий инструмент	Мерительный инструмент
005	Сверлильная 1.   Зенкеровать центральное отверстие, зенковать торец и снять фаски	Вертикально-сверлильный станок 2H135		Комбинированный зенкер-зенковка	Калибр -пробкат. Æ54
010	Протяжная  Протягивать отверстие	Протяжной станок7Б55	Оправки	Протяжка шлицевая	Калибр-скоба Æ40,
015	Токарная черновая Точить поверхность h12 и h12 начерно	Многорезцовый токарный станок 1К282	Поводковый центр	Резцы проходные Т15К6. Т15К6 b=3мм..   ГОСТ 18879-73	Калибр-скоба: Æ102; Æ58мм;
020	Токарная чистовая Точить поверхности начисто	Многорезцовый токарный станок	Станочное приспособление.		Калибр скоба,
025	Зубофрезерная Фрезеровать 30 зубьев(m=1,6) предварительно под шлифование.	Зубофрезерный полуавтомат модель 53А30П	Патрон трехкулачковый, центр вращающийся	Фреза червячная.	Шаблон на зубья
030	Термообработка	электропечь
035	Круглошлифовальная  1.Переход. Шлифовать Æ58h7	Круглошлифовальный  станок 3А15	В центрах с поводковым патроном Зажим хомутом по М22´1,5	Круг шлифовальный 25А16Т14К5А	Калибр-скоба: Æ38h6, Æ35h6, Æ24,484h5мм
040	Зубошлифовальная. Шлифовать 30 эвольвентных зубьев	Зубошлифовальный полуавтомат модель 5В833	Патрон трехкулачковый, центр вращающ.	Круг шлифовальный червячный с эвольвентным профилем m=3,75 Э540С25К ПП 150´100´50	зубомер тангенциальный 1 тип (m=2,5–10мм)

 

5.1. Выбор оборудования, обоснование.

5.2.Выбор схемы базирования  и станочного приспособления, обоснование.

 

5.1 Выбор оборудования

Выбор типа и модели станка определяется возможностью обеспечить выполнение технических требований, предъявляемых к обработанной детали в отношении точности её размеров формы и шероховатости поверхностей. Для оптимального выбора оборудования необходимо учитывать следующие факторы: объем выпуска деталей, тип производства, размеры и расположение обрабатываемых поверхностей, требования к точности, шероховатости поверхностей и экономичности обработки. При выборе станка необходимо учитывать наиболее полное его использование по мощности, загрузке и оснащенности (возможность использования всего комплекта инструмента в инструментальной головке или магазине), его стоимость и сложность обслуживания.

Выбранный станок должен обеспечивать минимальные затраты времени на обработку и себестоимость обработки детали. Основным из этих требований отвечают станки с числовым программным управлением, так как резко снижают штучное время, а следовательно, уменьшают затраты на производство заданного количества деталей. Кроме этого обеспечивают наименьшую трудоемкость и дают превосходные показатели в точности обработки.

Принимая во внимание вышеуказанное, предлагаю использовать следующее оборудование:

 

            1. Вертикально-сверлильный станок 2Н125.

Технические показатели станка	Параметры
Наибольший диаметр обрабатываемого  отверстия в заготовке из стали	25 мм
Мощность двигателя	2,8 кВт
КПД станка	0,8
Максимальная осевая сила, допускаемая станком	900 кГс
Стоимость	тыс.руб
Габариты: длина
ширина
высота

                2. Токарный многорезцовый полуавтомат 1Н713

 

Технические показатели станка	Параметры
Высота центров	250 мм
Расстояние между центрами	1400 мм
Мощность двигателя	18,5 кВт
КПД станка	0,8
Максимальная осевая сила, допускаемая станком	1630 кГс
Стоимость	тыс.руб.
Габариты: длина	мм
Ширина	мм
Высота	мм

 

 

 

 

4

 

1. Зубофрезерный полуавтомат модель 53А30П

Полуавтомат используется для фрезерования зубьев цилиндрических прямозубых и косозубых колес методом обкатки червячными модульными фрезами. Можно производить зубонарезание методами встречного и попутного фрезерования. Цикл работы станка автоматизирован: быстрый подвод инструмента к заготовке, зубонарезание, быстрый отвод инструмента в исходное положение и останов станка. Имеет механизм для передвижения фрезы, что увеличивает стойкость и срок службы фрез. Позволяет производить работу при повышенных скоростях резания и подаче. Повышенная жесткость и мощность станка обеспечивают высокое качество нарезаемых колес и увеличивают производительность.

Техническая характеристика:

Наибольший диаметр обрабатываемой детали, мм………………………….320

Наибольшие размеры нарезаемых колес, мм:

Модуль-6, длина зуба-220, угол наклона…………………………………...±60^о

Наибольший диаметр фрезы, мм………………………………………………160

Наибольшее осевое перемещение  фрезы, мм……………………….…………75

Частота вращения шпинделя, мин^-1………………………………….……50–400

Подача, мм/об. (заготовки):

вертикальная-0,63–7; радиальная-0,3–2

Мощность электродвигателя привода  главного движения, кВт……………..4,2

Габаритные размеры, мм:………………… 2300´1500´1950  (д´ш´в)

Масса, кг–6800.     [Л.4 том 2. стр.42]

 

 

2. Круглошлифовальный полуавтомат с ЧПУ модель 3А151Ц

Полуавтомат предназначен для наружного  шлифования цилиндрической поверхности валов с несколькими ступенями. Станок работает по полуавтоматическому циклу. Установка детали в центрах и снятие её производятся вручную. Процесс обработки на станке полностью автоматизирован. На полуавтомате осуществляется продольное и врезное шлифование ступеней вала одним кругом с последовательным переходом от одной ступени к другой по программе.

Измерение диаметров вала в процессе обработки производится электрическим широкодиапазонном прибором активного контроля, работающим в пределах 15 – 85мм с точностью 0,002мм без перенастройки.

Техническая характеристика:

Наибольшие размеры устанавливаемой  детали, мм

диаметр–200, длина-600

Размер шлифовального круга, мм до: 600´63´305

Наибольшее количество программируемых  ступеней для обработки: 6.

Наибольшее количество шеек устанавливаемого изделия: 12.

Частота вращения шлифовального круга, мин^-1……………………1112; 1275

Скорость быстрого перемещения, мм/мин……………………………….1000

Число оборотов изделия, мин^-1…………………………………………..63–400

Мощность электродвигателя общая, кВт…………………………………….11

Габариты полуавтомата, мм: 3100´3000´1900   (д´ш´в)

Масса, кг–5200      [Л.6 стр.126]

3. Зубошлифовальный полуавтомат модель 5В833

Станок применяется для получения точной формы и размеров зубьев, а также уменьшения шероховатости их рабочих поверхностей. Шлифование необходимо для повышения точности изготовления зубчатых колес и устранения отклонений, вызываемых термической обработкой. Полуавтомат производит шлифование методом обкатки абразивным червяком.

Техническая характеристика:

Диаметр обрабатываемого изделия, мм……………………………….40–320

Модуль, мм………………………………………………………….…….0,5–4

Наибольшая длина шлифуемого зуба, мм…………………..….…………150

Наибольший угол наклона…………………………………………………±45^о

Число зубьев обрабатываемого изделия………………………………..12–200

Наибольшие размеры шлифовального  круга, мм (Æ´ш)………….…..400´80

Частота вращения шлифовального круга, мин^-1…………………….……1500

Вертикальная подача суппорта заготовки, мм/мин………………………..165

Радиальная подача шпинделя бабки  за один ход суппорта…………0,02–0,08

Продольная подача: стола, мм/мин……………………………….…..100–1800

за один обкат………………………………..…………0,35–7

Мощность электродвигателя привода  главного движения, кВт…………..…4

Габариты полуавтомата, мм:…………………..2400´2500´2070 (д ´ ш ´ в)

Масса, кг–7000       [Л.4 том 2. стр.46]

 

6.   Расчёт припусков на одну поверхность аналитическим путем, определение  остальных припусков по таблицам и конструирование заготовки

     Расчёт припусков  аналитическим способом на одну поверхность на Æ 58h7

 Rz=40 

     Rz=200 мкм

 

 T= 200 мкм             (Добрыднев стр. 66)

 

  , - для наружной поверхности (стр.65. Добрыднев)

- отклонения расположения заготовки,  штампуемой различных половинах  штампа, (мм.).

- деформация заготовки, (мм.).

Смещение смесей поковок, штампуемых в разных половинах штампа, мм. (Таблица 12 стр. 184 Косилова).

Группа точности (0.30)

Погрешность установки.

              (Т.1 стр. 42 т.13)

 

Вид заготовки и технологи-ческая операция	Точность заготов.  и обраб. поверхности	Допуск	Элементы припуска мкм.				Промеж. раз. Заготовки мм.		Промеж. припуски мм.
				T
Заготовка Штамповка	h14	1,2    -0,6	200	200	0,7	-	59,2	57,4	-	-   -
Токарная: черновая	h12	0 -0,19	40	12	0,04	185	58	57,81	3,11	, 1,5

 

 

 

 

 

 

                                Расчет припусков табличным способом.

       Обработка  поверхности Æ54h7.

                                                                                                                  

Переходы	Размер до обработки (мм)	Размер после обработки (мм)	Припуск	Допуск
Заготовка	-	61,25	6,45	-
Черновое	61,25	57,25	4,0	h12
Чистовое	57,25	55,25	2,0	h9
Шлифование	55,25	54,8	0,45	h7

 

Общий припуск на обработку  отверстия Æ40 табличным путём.  Допуск h12

 

Переход	Размер до обработки (мм)	Размер после обработки (мм)	Припуск	Допуск
Заготовка		37	2,8	h14
Зенкерование	37	39,2	2	h12
Протягивание	39,2	40	0,8	h10