Разработка детали типа "Вал"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Валы весьма различны по служебному назначению, конструктивной форме, размером и материалу. Не смотря на это, технологу при разработке технологического процесса изготовления валов приходится решать многие однотипные задачи, поэтому целесообразно пользоваться типовыми процессами, которые созданы на основе проведённой классификации.

 

В общем машиностроении встречаются  валы бесступенчатые и ступенчатые, цельные и пустотелые, гладкие  и шлицевые, валы-шестерни, а также  комбинированные валы в разнообразном  сочетании из приведённых выше групп. По форме геометрической оси валы могут быть прямыми, коленчатыми, кривошипными, эксцентриковыми (кулачковыми).

 Наибольшее распространение в машиностроении, в том числе и станкостроении, получили различные ступенчатые валы средних размеров, среди которых преобладают гладкие валы. По данным ЭНИМСа, свыше 85% от общего количества типоразмеров ступенчатых валов в машиностроении составляют валы длиной 150-1000мм.

Шейки валов могут иметь шпоночные  пазы, шлицы или резьбу. Резьбу для  закрепления сопряжённых деталей  от осевого перемещения часто  выгодно заменять канавками для  пружинных колец. Это упрощает обработку  и сборку. В местах перехода ступеней делают канавки или галтели. Обработка  галтели более сложна; поэтому  предпочтительно, где это допустимо, предусматривать канавки.

 Торцы вала имеют фаски.  Шлицевые валы могут быть со  сквозными и закрытыми шлицами,  последние составляют около 65% от общего количества типоразмеров. По конструкции шлицы могут  быть прямобочными и эвольвентными. В настоящее время преобладают прямобочные (приблезительно85-90% от общего количество применяемых в машиностроении типоразмеров шлицевых валов), хотя в отношении технологии эвольвентные шлицы имеют ряд преимуществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Описание конструкции детали

Деталь «Вал» изготавливается из стали 40Х ГОСТ 4543-71 представляет собой деталь цилиндрической формы с габаритными размерами Ш100х600 мм.

 Данная деталь - вал , относится к группе цилиндрических изделий . Основное предназначение вала - передавать крутящий момент. Данный вал ступенчато-переменного сечения ( имеет 4 ступени).

Валы классифицируют:

- По назначению: валы передач,  коренные валы;

- По форме геометрической оси:  прямые, коленчатые , с гибкой осью;

- По конструкции: гладкие (на  протяжении всей диаметр одинаковый), ступенчатые (шейки - цилиндрические, конические).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1  Назначение, применяемость детали  в машиностроении

Деталь «Вал» является основной деталью машин.

Вал- это деталь машин, предназначенная  дя передачи крутящего момента и  восприятия действующих сил со стороны  расположенных на нём деталей  и опор.

Деталь «Вал» относится к  группе тел вращения с габаритными  размерами 600мм. Вал состоит из четырёх ступеней. Первая ступень длиной 67мм. С двух сторон сняты фаски 2х45, выполнен шпончный паз, так же на этой ступени производится контроль на биение относительно оси. Вторая ступень с фаской 1х45. Третяя ступень . Четвёртая ступень на этой ступени нарезана резьба М64х1-8g сняты две фаски по бокам 3х45 между ступенями проточены канавки шириной 5мм. С торцов вал имеет центоровочные отверстия по ГОСТу 14034-74. Поверхности превой, третей и четвёртой ступени шлифуются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Материал детали и его свойства

 

  Материалом детали является конструкционная легированная          среднеуглеродистая сталь 40Х ГОСТ 4543-71

Вал изготавливают из стали 40Х. Сталь 40Х подвергается нормализации, улучшению  и поверхностной термической  обработке. В производстве валов  сталь 40 считается лучшим исходным материалом.

Сталь 40Х содержит 0,40% углерода.

Повышенная прочность стали 40 достигается  с помощью различных приемов  термической обработки. Например, к  стали 40 применяют двойную термообработку с высоко температурным отпуском, в результате чего обеспечивается ее стойкость к водородному растеканию.

Еще одним методом повышения  прочности стали 40, считается азотирование поверхностного слоя, то есть легирование  стали 40 азотом.

Крайней точкой сохранения прочности  стали 40 является температура 200 градусов, при нагревании изделия из стали 40 выше этого показателя оно теряет прочность. Поэтому чаще она применяется  для производства неответственного режущего инструмента.

Химический состав стали 40Х

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.42-0.5	0.17-0.37	0.5-0.8	до 0.25	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.25	до 0.08

 

Технологические свойства стали 40Х

Свариваемость	трудносвариваемая
Флокеночувствительность	малочувствительна
Склонность к  отпускной хрупкости	не склонна

Таким образом, выбранный материал для изготовления вала отвечает требованиям  технологичности, то есть обеспечивает его эксплуатационные свойства, позволяет  использовать рациональную заготовку, обладает хорошей обрабатываемостью  на операциях механической обработки, является недорогим и недефицитным материалом.

Форма вала не очень сложна, все  поверхности доступны для механической обработки. Требования шероховатости могут быть обеспечены обычными методами обработки. Таким образом, конструкцию вала следует признать технологичной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1.3 Анализ технологичности конструкции  детали

Анализ технологичности конструкции  детали производится с целью повышения  производительности труда, снижения затрат и сокращение времени на технологическую  подготовку производства. Конструкция  изделия может быть названа технологичной, если она обеспечивает простое и  экономичное изготовление изделия  и отвечает следующим основным требованиям:

1. При конструировании изделий  используются простые геометрические  формы, позволяющие применять  высокопроизводительные методы  производства. Предусмотрена удобная  и надежная технологичная база  в процессе обработки

2. Конфигурация деталей и их  материалы позволяют применять  наиболее прогрессивные заготовки,  сокращающие объем механической  обработки (точное кокильное литье,  литье под давлением, объемная  штамповка и вытяжка, холодная  штамповка различных видов и  т.п.)

3. Обоснованы заданные требования  к точности размеров и формы  детали

4. Использованы стандартизация  и унификация деталей и их  элементов

5. Для достижения объема механической  обработки предусмотрены допуски  только по размерам посадочных  поверхностей

6. Предусмотрена возможность удобного  подвода жесткого высокопроизводительного  инструмента к зоне обработки  детали.

7. Обеспечена достаточная жесткость  детали

 

По сделанным расчетам можно  сделать вывод, что деталь является достаточно технологичной, состоит  из унифицированных элементов, можно  применять стандартный режущий  и мерительный инструмент, закреплять в стандартные приспособления. Использование  материала приемлемо при использовании  сортового проката в качестве заготовки.

 

 

 

 

 

 1.3 Определение типа производства

В машиностроении в зависимости  от производственной программы и  характера изготовляемой продукции  различают три основных вида производства: единичное, серийное и массовую.

Так как годовая программа на изготовление детали «Вал» составляет (1200) штук в год, а масса детали 20 кг в соответствии с таблицей «Типы  производств» принимаю среднесерийный тип производства.

 

Таблица

Масса детали,кг	Тип производства
	Единичное	мелкосерийное	среднесерийное	крупносерийное	массовое
<1	<20	20 – 2000	2000 – 20000	20000 – 100000	>100000
1,0 – 4,0	<15	15 – 1000	1000 – 10000	10000 – 75000	>75000
4,0 – 10	<10	10 – 500	500 – 5000	5000 – 50000	>50000
10 – 20	<7	7 – 250	250 – 2500	2500 – 25000	>25000
>20	<5	5 – 120	120 – 1200	1200 – 15000	>15000

Среднесерийное производства характеризуется  изготовлением деталей повторяющимся партиями (сериями).

В условиях среднесерийного производства представляется возможным расположить  оборудование в последовательности технологического процесса для одной  или нескольких деталей, требующих  одинакового порядка обработки, со строгим соблюдением принципов  взаимозаменяемости при обработке.

При не большой трудоёмкости обработки  или недостаточно большой программе  выпуска целесообразно обрабатывать заготовки партиями, с последовательным выполнение операций, т.е. после обработки всех заготовок партии на следующей операции. При этом время обработки на различных станках не согласовывается. Заготовки во время работы хранят у станков, а затем транспортируют целой партией.

Для предварительного определения  типа производства используем заданный объём выпуска изделия и его  массу.

По заданию годовой  объём выпуска изделия составляет N шт. масса детали, определяем расчётным  путём, равна m=20кг.

Используя эти данные, определяем тип производства - среднесерийный. Среднесерийное производство характеризуется  ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых периодически повторяющимися партиями.

В среднесерийном производстве оборудование устанавливается или  по ходу технологического процесса или  по группам оборудования.

Квалификация рабочих  в среднесерийном производстве ниже, чем в одиночном.

Количество деталей в  партии запуска определяем по формуле:

(1.5)

где N - годовой объём выпуска  заданного изделия, шт.;

а - число дней, на которое  необходимо иметь запас деталей (периодичность запуска - выпуска, соответствующая  потребности сборки);

F - число рабочих дней  в году, 251 день.

а=1, 2, 5, 10 или 20 дней.

Принимаем n=139 шт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          2. Технологическая часть

2.1 Выбор метода получения  заготовки и его технико-экономическое обоснование

Для изделия можно применять  заготовку, полученную из проката или  методом горячей объёмной штамповки.  

Заготовка из проката.

Наружные поверхности подлежащие обработке , , , с двух сторон.

 Технико-экономические расчеты показывают, что заготовка полученная методом горячей объемной штамповки на ГКМ более экономична, чем заготовка полученная из проката.

При выборе метода изготовления заготовки  основным требованием является обеспечить свойства изготавливаемых деталей  в заданных условиях эксплуатации и  обеспечения требуемых свойств  заготовки с учетом стоимости  заготовки в конкретных производственных условиях.

В качестве технических критериев  при выборе заготовки принимают  материал, конфигурацию детали, размер , массу, требуемую точность изготовления и т. д. В качестве экономического критерия принимают себестоимость изготовления заготовки. Т. к. материал заготовки сталь (40Х) , то способом получения заготовки может быть горячая штамповка или прутки из проката .

Исходя из того, что перепады диаметров  вала не значительные и годовой объем  выпуска деталей 500 штук, то для изготовления вала выбрал горячекатаный прокат.

Для данной детали наиболее предпочтительным вариантом заготовки является прокат сортовой по ГОСТ 2590-71. Это объясняется  тем, что:

- имеем дело с малыми перепадами  между диаметрами ступеней вала;

- вал является жестким;

Время получения заготовки минимально по сравнению с другими методами (поковки, объемной штамповки, литья);

КИМ проката и штамповки отличается незначительно, а стоимость штамповки  в 2-3 раза больше стоимости проката.

Для получения заготовок был  выбран горячекатаный прокат Ш32мм, который выпускается в двух разновидностях: четыре метра и шесть метров длинной. Для определения оптимальной с экономической точки зрения длинны проката рассчитал количество остатков от обоих типов прутков, идущих в отход, при длине вала 600 мм.

L_отх=4000/600=6.66

L_отх=6000/600=10

Исходя из расчетов можно сказать, что для уменьшения отходов производства рационально выбрать горячекатаный  прокат длинной шесть метров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2  Проектирование технологического  процесса

Учитывая, рекомендации по экономической  точности обработки и принципа постаянства  баз применяем следующий маршрут обработки

Таблица

Операция	Оборудование (станок)	Режущий инструмент	Мерительный инструмент
005 Фрезерно- центровальная	Фрезерный МР-73М	Фреза торцевая 100 Т5К10 ГОСТ 9473-80 Сверло центровочное 6 Р6М5  ГОСТ14952-75	Шаблон  специальный
010 токарная	Токарно-винторезный 16К20Ф3	Резец проходной упорный Т5К10 ГОСТ20872-80 Резец канавочный Т15К6 ГОСТ 18884-73	Калибр-скоба 60,6h10 ГОСТ 18362-90 72,4h14 ГОСТ 18362-90 87,6h10 ГОСТ 18362-90 100h4 ГОСТ 18362-90
015 токарная	Токарно-винторезный 16К20Ф3	Резец проходной  упорный    Т5К10 ГОСТ20872-80 Резец канавочный Т15К6 ГОСТ 18884-73	Калибр-скоба 60,6h10 ГОСТ 18362-90 72,4h14 ГОСТ 18362-90 87,6h10 ГОСТ 18362-90 100h4 ГОСТ 18362-90
020 шпоночно- фрезерная	Шпоночно-фрезерная ДФ-82А	Фреза      шпоночная20 Р6М5 ГОСТ9140-78	Калибр шпоночный 20 ГОСТ24111-80
025 слесарная
030 резьбофрезерная	Резьбофрезерный КТ-44	Резьбовая фреза М64-1-8g Р6М5 ГОСТ 1336-77 Резьбовое кольцо ПРМ64х1-8g ГОСТ 17763-72	Кольцо НЕМ64х1-8g
035 контрольная
040 шлифовальная	Круглошлифовальный 3Б161	Круг Шлифовальный ПП600х63х305 25А32СМ2К5 ГОСТ 16169-81	Калибр-скоба 60h6 ГОСТ 18362-90 65h6 ГОСТ 18362-90 87h6 UJCN 18362-90
045 контрольная

2.3 Выбор и обоснование технологических  баз

Технологической базой называют поверхность, определяющую положение детали или  сборочной единицы и средств  измерения.

При выборе баз обработки заготовки  используется принцип совмещения баз. Лучшие результаты достигаются при  совмещении измерительной и конструкторской  базы, т.е. поверхностей с помощью которых определяется положение детали в собранном изделии.

В процессе обработки детали соблюдается  принцип постоянства баз, на всех основных технологических операциях  необходимо использовать в качестве технологических баз одни и те же поверхности заготовки.

Принцип постоянства баз способствует повышению точности взаимного расположения поверхности детали. Соблюдение принципа постоянства баз повышает однотипность приспособлений и схем обработки, что особенно важно при автоматизации обработки. При выборе баз используется удобство и снятие заготовки, а так же надежность и удобство её закрепления в выбранных местах зажима, возможность подвода режущего инструмента с различных сторон заготовки.

Для детали вал на первой операции базовой поверхностью является наружная необработанная поверхность, далее  базовой поверхностью является ось  вала. Исходя из этого выбираю базы для каждой операции.

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2.4 Определения промежуточных припусков размеров табличным методом (3-4 поверхности)

Пользуясь таблицей 20. ГОСТ 7505-89

Степень сложности - С 1;

Группа стали - М 2;

Точность изготовления - Т 4;

Исходный индекс -8.

; =0,3.

Степень сложности определяем из формулы:

С учётом табличных припусков  определяем расчетные размеры заготовки:

К; (2.7)

Для расчета припуска необходимо обосновать согласно поковке [4] стальные

 ГОСТ 7505-89 штамповальный для определение припуска на механическую обработку необходимо определить.

Определяем класс точности-Т  штамповка выполняется на горизонтально  ковочной машине Т4 таб.1.

Определяем группу стали, которая  зависит от содержания  углерода в стали Сталь 40Х содержание углерода 0,4-группа стали М2 табл.1.

Степень сложности-С2 КИМ=0,32…0,63

Исходный индекс определяется от массы  заготовки М1., С2., и Т4

     КИМ=0,5   =40    10 класс точности табл.2

Определяем припуск на механическую обработку по исходному индексу 10

 для размера60h6 припуск =3мм.

Определяем допуск на заготовку    max.=+1.1  min= -0.5   δ=1.6

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1

 

Вид обработки	Обрабаты-ваемая поверхность	Качество поверхности		Размер заготовки		Припуск		Допуск
		точность	Шерохова-тость	max	min	max	min	max	min
Заготовка	63h16	h16		62.89	61.8	2.8	2.2	+1.1	-0.5
Токарно-черновая	62.6h12	h12	Ra12.5	61.79	61.3	1.3	1.0	0	-0.3
Токарно-чистовая	60.4h11	h11	Ra3.2	60.49	60.3	0.49	0.3	0	-0.19
Шлифовальная	60	h6	Ra1.6	60	59.981			0	-0.019

 

Таблица 2.1 Припуски на размеры  заготовки

Категория размера	Номинальное значение размера, мм	Шероховатость, мкм	Припуск, мм	Предельные отклонения, мм	Размер заготовки, мм
D1	87	1	1		90
D2	72	1	1		75
D3	60	1	1		63
L1	67	12	1		68
L2	30	12	1,2		32
L3	136	12	1		138

Определяем коэффициент  использования материала:, (2.11)

 

 

 

 

 

 

2.5 Выбор оборудования, приспособлений, режущего и измерительного       инструмента

Для выполнения механических операций при обработке детали «Вал» использую 

Таблица 2

Приспособление	Вспомогательный инструмент	Режущий инструмент	Измерительный инструмент
Тиски (при станке)	Оправка (при станке)	Фреза дисковая (при станке)	Колибр-скоба ГОСТ 18362-90

 

  Операция 010 Токарная

 

 

 

 

 

Примечание:

Форма и размеры центровочного  отверстия выбираются по приложению К таблица К1.

 

Таблица 3

Приспособление	Вспомогательный инструмент	Режущий инструмент	Измерительный инструмент
7100-0009 Патрон 3х кулачковый ГОСТ 2675-80	Патрон сверлильный 4-В10 ГОСТ 8522-79	2317-0105 сверло центров. ГОСТ 14952-75 2102-0055 резец подрезной Т5К10 ГОСТ 18877-73	Колибр-скоба ГОСТ 18362-90

 

 

 

 

 

  Операция 015 Токарная

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

Приспособление	Вспомогательный инструмент	Режущий инструмент	Измерительный инструмент
7100-0009 Патрон 3х кулачковый ГОСТ 2675-80 центр заднивращ. 1-5-Н ГОСТ 8742-75		2103-0053 резец  проходн. Т5К10 ГОСТ 18879-73	Колибр-скоба ГОСТ 18362-90

 

 

 

 

Операция 010 Токарная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Приспособление	Вспомогательный инструмент	Режущий инструмент	Измерительный инструмент
7032-0035 Центр передний ГОСТ 13214-79.  Центр задний вращ. 1-5-Н ГОСТ 8742-75	7107-0039 хомутик ГОСТ 2578-70	2103-0053 резец проходн. Т15К6 ГОСТ 18879-73	Ши-I-125-01 Микрометр МК 50-1 ГОСТ 6507-78

 

 

Операция 025 Шлифовальная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6

Приспособление	Вспомогательный инструмент	Режущий инструмент	Измерительный инструмент
7032-0035 Центр ГОСТ 13214-79	7107-0065 хомутик ГОСТ 16488-70	Круг шлифовальный ПП 600 305   63 14А 40ст16К 50 м/с 1кл А ГОСТ 2424-83	Скоба рычажная Приспособление  центровое, индикатор часового типа

 

 

 

 

 

        2.6 Расчет режимов резания  (расчетный метод - одна поверхность, табличный метод- 3-4 поверхности)

Токарная предварительная

Токарная (черновая): выполняется за два установа на универсальном токарно - винторезном станке.

Установ А:

1.Установить деталь в центра

        2. Точить поверхность 1 диаметр 87h6,

3. Точить поверхность 2 диаметр  72h12   

       4. Точить поверхность 3 диаметр 65h6

       5. Точить поверхность 4 диаметр 87 h6

       6. Точить поверхность 5 диаметр 72h12

 7. Точить поверхность 6 диаметр 65h6

Резец прямой упорный.

Технологическая база наружный диаметр, центровое оверстие.

    Расчет припусков табличным методом

Таблица 5

Номер поверхности	Метод обработки	припуск
h6 (3) L = 50	Черновое и чистовое точение, шлифование	1,0+0,6+0,4=2,0 мм
h12 (7) L = 90	Черновое и чистовое точение, шлифование	1,0+0,6+0,4=2,0 мм
(5) L = 250	Черновое и чистовое точение, шлифование	1,0+0,6+0,4=2,0 мм
(8) L = 60	Черновое и чистовое точение, шлифование	1,0+0,6+0,4=2,0 мм

        Расчет режимов резания операции токарной

Режимы резания «Общие машиностроительные нормативы режимов резания»

L = 67где L - длина обрабатываемой поверхности

t =1мм – глубина резания

Sо=0,6мм/об карта 3

Sм=Sоn=0,6400=240об/мин

V=117м/мин  карта7

n по станку = 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000

n= уточняем по станку 400об/мин

Определяем  Тосн

Тосн=

l1+l2 (прилож.стр.215)

i=2мм

Тосн=мм

Тшт=То+Твсп+Тобсл+Тотд

Твсп=Туст+Тпер+Тизм

Твсп=0,55+0,09+0,13=0,77мин

Туст=0,55мин

Тпер=0,09мин         табл.48 стр.191(сборник задач)

Тизм=0,13мин        табл.53 стр.194(сборник задач)

Топер=0,55+0,77=1,32мин

Твсп==мин

Тшт=1,32+0,10=1,42мин

D	L	So	Sм	N	To	Tшт
	67мм	0,6мм/об	240об/мин		0,78мин	1,42мин

 

Операция шлифовальная

Установить деталь в центра

Шлифовать поверхность 

Допуск=-0,022

Припуск=0,3

 

Операция 025 Шлифовальная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6

Приспособление	Вспомогательный инструмент	Режущий инструмент	Измерительный инструмент
7032-0035 Центр ГОСТ 13214-79	7107-0065 хомутик ГОСТ 16488-70	Круг шлифовальный ПП 600 305   63 25А32СМ2К5 ГОСТ16169-81	Скоба рычажная Приспособление  центровое, индикатор часового типа

 

 

 

Припуск на обработку

П==0,49 с таблицы

t==0,24

Метод шлифование врезанием

Тм=

Sм=0,5 стр.173(справочник Режимы резания металлов)

Зависит от допуска квалитета точности

Tвых=0,13мин

То==0,75мин

Тшт=То+Твсп+Тобсл+Тотд

Туст=3мин

Тпер=0,39мин      стр.255 таб.119

Тизм=0,13мин      стр.195 ттаб.53

Твсп=3+0,39+0,13=3,52мин

Топер=То+Твсп=0,75+3,52=4,27мин

Тобс+Тотд=8Топер==0,34мин

Тшт=0,34+4,27=4,61мин

Результаты расчета подач сводим в таблицу №4. В качестве технологической  подачи, т.е. максимально допустимой из условий обработки, на каждой ступени  чисел оборотов принимаем наименьшую из расчетных и корректируем по станку.

 Анализ таблицы №4 показывает, что  наивыгоднейшей для заданных условий  точения является   14-- (n = 230 об/мин): на этой ступени получается наибольшая производительность и наименьшее основное время t₀.        

       По числу оборотов рассчитаем скорость  резания:

 

 

 Режим резания.

 

Глубина t = 3 мм;

Подача S = 0.8 мм/об;

Число оборотов n = 230 об/мин;

Скорость резания V = 72,66 м/мин;

Основное время t = 2,34 мин.

 

 

Выбор глубины резания.

 

Глубину резания выбираем так же, как и при аналитическом методе расчета. Принимаем t = 3,75 мм.

 

Выбор подачи.

 

1. По карте 13[9] для обработки стали резцом с размерами державки 20х25 мм² при точении детали диаметром до 100 мм., с глубиной резания до 5 мм. Выбираем рекомендуемую подачу в пределах от 0,7…0,9 мм/об. Принимаем S = 0,8 мм/об.