Технологический процесс детали вал-шестерня

2 Назначение, конструкция, материал детали

Заданием курсового проекта является технический изготовления детали «вал-шестерня». Она является входным валом коробки скоростей и предназначена для передачи крутящего момента промежуточному валу.

На резьбовой конец вала накручивается гайка, стопорящая насаживаемый на вал шкив в осевом направлении, шпоночный паз вала предназначен для передачи крутящего момента со шкива, зубья входят в зацепление с зубчатым колесом промежуточного вала и передают ему крутящий момент.

В качестве материала детали принимаем  сталь 45, так как она является самой распространённой маркой стали, применяется для различных деталей машин и механизмов, обладает хорошими литейными свойствами, имеет оптимальный химический состав (таблица 1) и наиболее приемлемые механические свойства (таблица 2).

 

Таблица 1 Химический состав стали 45 (ГОСТ 1050-88)

 

С	Si	Mn	S	P	Ni	Cr
0.4-0.5	0.17-0.37	0.5-08	0.045	0.045	0.30	0.30

 

Таблица 2 Механические свойства стали 45

 

δт, кГ/мм2	δвр, кГ/мм2	δ5,%	Ψ, %	ан, кГ/См2	HB (не более)
Не менее					Горячека- таной	Отожжен- ной
36	61	16	40	5	241	197

 

3 Анализ технологичности конструкции детали

Технологическую рациональность конструктивных решений характеризуют показатели, учитывающие взаимосвязь основных параметров трудовых и материальных затрат с показателями качества изделия, в том числе показателями назначения, надежности и эргономичности (удобство при эксплуатации и ремонте), и т.п.

Основные требования, предъявляемые  к технологичности конструкций  деталей, представляющих собой тела вращения, изготовляемых в большинстве случаев из прутка или штамповочной заготовки, реже из отливок, заключается в следующем: конструкция деталей должна предусматривать небольшое количество обрабатываемых поверхностей, сопрягаемых с другими деталями, диаметральные размеры шеек вала должны убывать к концам. Конструктивная форма деталей должна обеспечивать возможность штамповки заготовок в закрытых штампах для этого следует избегать удлиненных выступов, сечений с большой разностью площадей, глубоких полостей. При несоблюдении этих условий штамповочные заготовки имеют грубо приближенную форму к готовой детали и обычно проходят значительное число операций механической обработки даже нерабочих поверхностей, с большими отходами металла в стружку. В данной детали предусмотрены все приведенные выше условия, поэтому конструкцию принимаем как технологичную.

 

4 Выбор заготовки

4.1 Варианты получения заготовки

При выборе заготовки для вновь  проектируемого технологического процесса возможны следующие варианты.

1. Метод получения заготовок принимается аналогичным существующему в данном производстве.
2. Метод получения заготовки изменяется, однако это обстоятельство не вызывает изменений в технологическом процессе механической обработки.
3. Метод получения заготовки изменяется и в результате этого существенно изменяется ряд операций механической обработки детали.

В первом случае достаточно ограничиться ссылкой на справочную литературу, где для данных условий рекомендован этот вариант как оптимальный. Так как стоимость заготовки не изменяется, то она не учитывается при определении технологической себестоимости.

Во втором случае предпочтение следует отдавать заготовке, характеризующейся лучшим использованием металла и меньшей стоимостью. Методика определения стоимости заготовки приводится ниже. Стоимость заготовки учитывается при расчете технологической себестоимости.

В двух рассмотренных случаях имеется  полная возможность применять окончательное решение относительно вида заготовки и рассчитывать ее стоимость до определения технологической себестоимости варианта процесса.

В третьем случае вопрос о целесообразности определенного вида заготовки может  быть решен лишь после расчета  технологической себестоимости  детали по сравниваемым вариантам. Предпочтение необходимо давать той заготовке, которая обеспечивает меньшую технологическую себестоимость детали. Если же сопоставляемые варианты по технологической себестоимости оказываются равноценными, то предпочтительным следует считать вариант заготовки с более высоким коэффициентом использования материала.

 

4.2 Получение заготовки

Метод выполнения заготовок для  деталей машин определяется назначением  и конструкцией детали, материалом, техническими требованиями, масштабом  и серийностью выпуска, а так же экономичностью изготовления. Выбрать заготовку – значит установить способ ее получения, рассчитать размеры.

Для рационального выбора заготовки необходимо одновременно учитывать все перечисленные  исходные данные, так как между  ними существует тесная взаимосвязь. Окончательное решение можно принять только после экономического комплексного расчета себестоимости заготовки и механической обработки в целом.

В нашем случае наиболее оптимальным вариантом получения  заготовки является штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), на которых получают поковки массой 0,1 – 100 кг. с максимальным диаметром 315 мм. Также штамповка на ГКМ является одним из производительных способов и может быть рентабельной для определенного вида заготовок. Производительность до 400 поковок в час. Штамповка производится из прутков и труб горячекатаного металла повышенной точности длинной до 4 м. и диаметром от 20 до 270 мм. и значительно редко из штучных заготовок. Иногда используют холоднотянутую сталь, что значительно повышает точность поковки. Преимущество штамповки на ГКМ – высокая производительность и экономное использование металла.

Штамповку на горизонтально-ковочных машинах выполняют в штампах  с двумя плоскостями разъема: одна – перпендикулярна оси заготовки  между матрицей и пуансоном, вторая – вдоль оси, разделяет матрицу на неподвижную и подвижную половины, обеспечивающие зажим штампуемой заготовки. На ГКМ штампуют поковки типа стержней с утолщениями, с глухим отверстием, трубчатые, с полым утолщением и стержнем. Благодаря осевым разъемам матриц уклон в участках зажатия на поковках не требуется.

При высокоскоростной штамповке  скорость деформирующего инструмента  достигнет десятков метров в секунду (на обычных штамповочных молотах  до 6-7 м/с). Высокоскоростная штамповка  позволяет изготовлять заготовки  сложных форм с тонкими стенками и ребрами и малыми радиусами закругления, получать заготовки с высокими механическими свойствами, максимально приближенные к форме и размерам готовой детали.

5 Определение типа производства

5.1 Определение такта выпуска

При курсовом проектировании можно считать, что тип производства зависит от двух факторов, а именно от заданной программы и трудоемкости изготовления изделия. На основании заданной программы рассчитывается такт выпуска изделия t_в, а трудоемкость определяется средним штучным временем T_шт. по операциям действующего на производстве или аналогичного технологического процесса. Отношение этих величин называют коэффициентом серийности:

 

.                                [1, стр.20]

 

Обычно считают, что коэффициент серийности определяет количество различных операций по обработке одной или нескольких деталей, закрепленных за одним станком в течение года. Приняты следующие значения коэффициента серийности [1, стр.20]:

для массового производства  k_с= 1; 

для серийного производства  k_с= 2-10;       для мелкосерийного производства  k_с>20   .

Величина такта выпуска рассчитывается по формуле:

 

,   [1, стр.21]

 

где F_д – действительный годовой фонд времени работы оборудования, ч/см, определятся по следующей формуле:

 

,  [1, стр. 23]

 

где       F_д.г. – количество дней в году, F = 365;

   F_пр.д. – количество праздничных дней в году, F_пр.д. = 10;

   F_вых.д. – количество выходных дней в году, F_вых.д. = 106;

   t _ч.см. – количество часов работы оборудования в смену, t _ч.см. = 8;

   n _см. – количество смен, n _см. = 2;

   t _пр.ч. – количество часов простоя оборудования в предпраздничные дни, t _пр.ч. = 3;

Все значения необходимые для определения  действительного годового фонда времени работы оборудования принимаем на 2005 год.

 

F_д = (365 – 10 – 106) × 8 × 2 – 3 = 3941 ч/см.

N – годовая программа выпуска деталей, шт.

В задании на курсовой проект указана  годовая программа выпуска изделий, поэтому программу в штуках необходимо вычислить по формуле:

 

 шт.,   [1, стр.21]

 

где N₁ – годовая программа выпуска изделий N₁ = 30000 шт.;

            m – количество деталей данного наименования на изделие m = 1;

           β – количество деталей, которое необходимо изготовить дополнительно в качестве запасных частей, заданное в процентах от годовой программы;

Принимаем β = 5%, тогда

 

, шт.

.

 

5.2 Определение штучно-калькуляционного времени

Для определения среднего штучного или штучно-калькуляционного времени по операциям можно воспользоваться нормировочными данными из существующего на производстве технологического процесса по аналогичной детали или произвести укрупненное нормирование вновь разрабатываемого технологического процесса. Последнее можно выполнить, пользуясь методом приближенного определения норм времени по таблицам.

Как в первом, так и во втором случае Т_{шт i} следует брать для расчета из основных операций, исключая промывку деталей, снятие фасок, зачистку, термообработку и т.п.

Если некоторые отдельные операции имеют Т_{шт i} , значительно больше t_в, а следовательно выполняются на нескольких станках дублерах (зубообработка, шлифование и т.п.), то, рассчитывая среднее штучное время, следует для этих операций в качестве Т_{шт i} принять значение t_в.

Формула для расчета среднего штучного времени имеет следующий вид:

 

                   [1, стр.21]

 

где Т_шт(шк)i – штучное или штучно-калькуляционное время на каждой операции, мин;

       n – число операций.

 

                    [1, стр.173]

 

где φ_к – коэффициент зависящий от станка и вида производства [1, стр.173];

      Т₀ – основное технологическое время, мин.

Основное технологическое время  рассчитывается по приближенным формулам для норм времени по обрабатываемой поверхности в зависимости от вида обработки [1, стр. 172].

Аналогичный технологический процесс  изготовления вала-шестерни включает в себя следующие операции:

1. Фрезерно-центровальная:

Фрезерование торцевой фрезой

 

Т₀ = 0,0011 × l мин.                                      [2, стр.172]

 

Сверление отверстия: 

 

                                        Т₀  = 0,00052dl мин.                    [ 2 стр172]

 

2. Черновая подрезка торца по 4-му классу точности:

 

Т₀ = 0,000037(D² – d²) мин,

 

где D – наружный диаметр вала шестерни, мм;

d – внутренний диаметр вала шестерни, мм.

3. Черновая обточка:

 

Т₀ = 0,00017dli мин,

 

где d – диаметр обрабатываемой поверхности, мм;

l – длина обрабатываемой поверхности, мм;

i – число проходов.

4. Чистовая обточка по 4-му классу точности:

 

Т₀ = 0,00010dl мин,

 

5. Фрезерование шпоночного паза за проход:

 

Т₀ = 0,006l мин,

 

где l – длина шпоночного паза, мм.

6. Нарезание резьбы на валу:

 

Т₀ = 0,019dl мин

 

7. Шлифование:

 

Т₀ = 0,0025l мин,

 

где l – длина поверхности, подвергаемой шлифованию.

Все размеры необходимые для  определения (Т₀) основного технологического времени берем с рисунка 2, а припуски на обработку берем из справочника технолога-машиностроения. Полученные результаты сводим в таблицу 3.

Размеры припусков (t) при обработке:

1. черновое точение t = 3 мм, на диаметр [6, стр. 186];

2. чистовое точение t = 0,3 мм, на диаметр [6, стр. 186];

3. шлифование t = 0,8 мм, на диаметр [6, стр. 186];

4. черновая подрезка торца  t = 1,5 мм, на сторону [6, стр.189];

5.чистовая подрезка торца t = 1 мм, на сторону [6, стр. 189].

Следовательно диаметры заготовки будет равны следующим величинам:

 

 мм;

 мм;

 мм;

 мм;

 мм.

 

Рисунок 5- Эскиз заготовки вала-шестерни

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 Основное технологическое время по каждой операции

Операция	Т0 , мин.
Фрезерно – центров. d = 44 мм.	Т0 = 0,0011 × 44 = 0,048
Черновая d = 41,1 мм, l = 28 мм.	Т0 = 0,00017 × 41,1 × 28 = 0,19
Подрезка торца D = 50 мм,d = 41,1 мм.	Т0 = 0,000037 × (502 – 41,12) = = 0,04
Черновая d = 50 мм, l = 35 мм.	Т0 = 0,00017 × 50 × 35 = 0,297
Подрезка торца D = 88,08 мм,d = 50 мм.	Т0 = 0,000037 × (882 – 502) = = 0,182
Черновая d = 84,03мм, l = 64 мм	Т0 = 0,00017 × 84,03 × 64 = = 0,925
Чистовая d = 40,8 мм, l =28 мм	Т0 = 0,00010 × 40,8 × 28 = 0,114
Чистовая d = 84мм, l = 64 мм.	Т0 = 0,00010 × 84 × 64 = 0,54
Подрезка торца D = 50 мм,d = 40,8 мм.	Т0 = 0,000037 × (502 – 40,82) = = 0,03
Подрезка торца D=36,8 мм,d=32.9 мм.	Т0 = 0,000037 × (402–30,32) = = 0,025
Черновая d1=32.9 d2 = 41,1 мм, l = 82 мм.	Т0 = 0,00017 × 41,1 × 82 = 0,57
Черновая d = 41,1 мм, l = 48 мм.	Т0 = 0,00017 × 41,1 × 48 = 0,33
Подрезка торца D = 50 мм,d = 41,1 мм.	Т0 = 0,000037 × (502 – 41,12) = = 0,029
Черновая d = 50 мм, l = 35 мм.	Т0 = 0,00017 × 50 × 35 = 0,29
Подрезка торца D = 85,08 мм,d = 50 мм.	Т0 = 0,000037 × (882 – 502) = = 0,194
Чистовая подрезка торца D = 32.9 мм,d = 32.6 мм.	Т0 = 0,000037 × (32,92 – 32,62) = 0.0007
Чистовая d1=32.6 d2 = 40.8 мм , l =82 мм	Т0 = 0,00010 × × 82 = 0,2
Чистовая d = 40,8мм, l =49 мм..	Т0 = 0,00010 × 40,8× 49 = 0,199
Подрезка торца D = 50 мм,d = 40,8 мм.	Т0 = 0,000037 × (502 – 40,82) = 0.03
Резьбовой конец: Черновая d = 27,3 мм, l = 28 мм	Т0 = 0,00010 × 27,3 × 28 = 0,075
Чистовая d = 27мм, l =28 мм..	Т0 = 0,00010 × 27× 28 = 0,0756
Резьбонарезная dнар = 27 мм dвн = 25,16 мм	Т0 = 0,0001 × 26,08 ×28= 0,07 Т0 = 0,0001 × 25,16 ×28= 0,07
Точение канавки	Т0 = 0,000037 × (31,82 – 24,82) = 0.014
Точение канавок	Т0 =2 × 0,000037 × (402 – 382) = =0,0115

Продолжение таблицы 3

Фрезерная D = 78,78 мм, b = 64 мм	Т0 = 0,0022 × 78,78 × 64 = 11,09
Фрезерование шпоночного паза l = 75 мм.	Т0 = 0,006 × 75 = 0,45
Шлифовальная	Т0 = 0,0025 × 50 = 0,1225 Т0 = 0,0025 × 28 = 0,07

 

Таблица 4 Величина коэффициента φ_к [1, стр. 173]

Виды станков.	φк
Токарный.	1,36
Фрезерный.	1,51
Круглошлифовальный.	1,55

 

Таблица 5 Штучное время по каждой операции

Операция
Фрезерно-центровальная Т0 = 0,048, мин.	Тшт = 1,51 × 0,048 = 0,072
Черновая Т0 = 3,147, мин.	Тшт = 1,36 × 3,147 = 4,27
Чистовая Т0 = 1,3548, мин.	Тшт = 1,36 × 1,3548 = 1,84
Фрезерная Т0 =0,45 мин.	Тшт = 1,51 ×0,45 = 0,67
Зубофрезерная Т0 = 11,09 мин.	Тшт = 1,51 ×11,09 = 16,74
Шлифовальная Т0 = 0,04, мин..	Тшт = 1,55 × 8,04 = 12,46

 

Число операций n = 7. Суммарное штучное время ∑Т_шт = 35,98 мин:

 

.

 

6 Выбор варианта технологического маршрута

и его технико-экономическое  обоснование

6.1 Правила составления маршрута обработки детали

При разработке технологического процесса механической обработки перед технологом всегда возникает задача: выбрать из нескольких вариантов обработки один, обеспечивающий наиболее экономическое решение. Современные способы механической обработки и большое разнообразие станков, а также новые методы электрохимической, электроэрозионной и ультразвуковой обработки металлов, получение заготовок методами точного литья, точной штамповки, порошковой металлургии – все это позволяет создавать различные варианты технологии, обеспечивающие изготовление изделий, полностью отвечающих всем требованиям чертежа.

Намечая технологический маршрут обработки детали, следует придерживаться следующих правил:

а) с целью экономии труда  и времени технологической подготовки производства использовать типовые процессы обработки деталей и типовых поверхностей деталей;

б) не проектировать обработку на уникальных станках. Применение уникальных и дорогостоящих станков должно быть технологически и экономически оправдано.

в) использовать по возможности  только стандартный режущий и  измерительный инструмент;

г) стремиться применять  наиболее совершенные формы организации производства: непрерывные и групповые поточные линии, групповые технологические процессы и групповые наладки на отдельные станки;

д) обрабатывать наибольшее количество поверхностей данной детали за одну установку и т.п.

 

6.2 Технологический процесс обработки вала-шестерни

1. Фрезерно-центровальная (005).

2. Токарная (010):

        2.1 Токарная  черновая обработка;

        2.2. Токарная чистовая обработка.

3. Зубофрезерная (015).

4. Шпоночно-фрезерная (020).

5. Закалка ТВЧ (025).

6. Токарная (030):

        6.1 Первый переход

7. Шлифование (035).

7 Расчет припусков

7.1 Расчет припуска на диаметральный размер

При выполнении курсового проекта  расчет припусков на механическую обработку производится расчетно-аналитическим методом и по таблицам.

Расчет припусков и определение  их величин по таблицам производится только после выбора оптимального для  данных условий технологического маршрута и выбора метода получения заготовки.

Рассчитываем припуск на обработку  и промежуточные предельные размеры на поверхность ø вала-шестерни (рисунок 6). На остальные обрабатываемые поверхности назначаем припуски и допуски по таблицам ГОСТ 7505-55.

Заготовка – штамповка  на ГКМ, группа точности – 2-я. Масса  заготовки Q = 6,43 кг.

Рисунок 6- Схема закрепления детали

Технологический маршрут обработки  поверхности ø  состоит из обтачивания предварительного и окончательного и шлифования. Обтачивание производится на центрах в поводковом патроне, схема установки показана на рисунке 6, а шлифование в центрах.

Находим по таблицам значения высоты неровностей R_z [1, стр. 65] и дефектного слоя T [1, стр. 67].

Заготовка  R_z = 150 мкм, Т = 200 мкм.

Обтачивание: предварительное   R_z = 50 мкм, Т = 50 мкм.

окончательное   R_z = 30 мкм, Т = 30 мкм.

Шлифование:       предварительное   R_z = 10 мкм, Т = 20 мкм.

окончательное   R_z = 5 мкм, Т = 15 мкм.

Погрешность зацентровки заготовок  штампованных стержневых заготовок возникает вследствие погрешности базирования на этой операции и приводит к радиальному биению наружной поверхности заготовки относительно оси центровых отверстий. Так как заготовка закрепляется в самоцентрирующем патроне, то допуск на наружный диаметр не оказывает влияния на погрешность зацентровки, которая в этом случае определяется погрешностью настройки центровального станка  ρ_ц=0,25:

 

ρ_к = ∆_к ×l,                             [1, стр. 68]

 

тогда в соответствии с таблицей 32 [1 стр.72] выбираем удельную кривизну заготовки ∆_к в зависимости о диаметра заготовки. Так как нам дан ступенчатый вал, то для определения удельной кривизны вала необходимо рассчитать его средний диаметр  по формуле:

 

       [1, стр. 72]

 

где   d₁….. d_n – диаметры ступеней;

        l₁….l_n – длины ступеней;

         l – общая длина вала.

тогда:

 

d_ср =

мм,

 

отсюда ∆_к = 0,1 мкм = 0,1×10^-3 мм.

 

ρ_к = 0,1 × 10^-3 × 320 = 0,032 мм.

 

Суммарное отклонение:

 

ρ_з =

,   [2, стр. 68]

 

таким образом, суммарное значение пространственного отклонения заготовки составит:

 

ρ_з =

,мм.

 

При обработке в центрах, погрешность  установки в радиальном направлении равна нулю, что имеет значение для растачиваемого размера. В этом случае эта величина исключается из основной формулы для расчета минимального припуска, и соответствующую графу можно не включать в расчетную таблицу.

Суммарное отклонение :

 

ρ_з =

 ,                        [2, стр. 70]

 

ρ_см = 0,9мм; ρ_кор = ∆_к × l = 0,032 мм.

 

 

ρ_ц =

.                                       [1, стр. 70]

 

Определяем допуск на размер, зависящий  от недоштамповки или двустороннего износа штампов по следующей формуле:

 

δ = Нед + И_ш + К_у    [1, стр. 83]

 

где Нед – допуск по недоштамповке, мм;

       И_ш – допуск по износу штампов, мм;

       К_у – колебания усадки заготовки по температурному интервалу штамповки.

Нед = 1,2 мм;

И_ш = 0,5 мм;      [1, стр.85]

К_у = 1,0 мкм/мм, К_у = 1,0 × 50 = 50 мкм = 0,05 мм.

 

δ_заг = 1,2 + 0,5 + 0,05 = 1,80 мм.

ρ_ц =

ρ_з =

мм.

ρ_з = 0,25+ 1,25 = 1,5 мм.

 

Находим допуск по классу точности для  каждого метода обработки [6, стр.7].

Обтачивание: черновое   δ = 340 мкм;

чистовое   δ = 100 мкм.

Шлифование: предварительное  δ = 25 мкм;

чистовое   δ = 17 мкм.

При выполнении курсового проекта  для определения промежуточных  значений припусков на механическую обработку можно с достаточной для практических целей точностью воспользоваться следующей формулой:

 

ρ_ост = k_у × ρ_заг

 

где k_у – коэффициент уточнения формы. Зависит от вида заготовки и методов обработки.

Для черного точения штампованных заготовок k_у = 0,06

Для чистового точения штампованных заготовок k_у = 0,04

Для двукратного шлифования заготовок  после токарной обработки k_у = 0,02.

 

ρ₁ = 0,06× 1500 = 114 мкм.

ρ₂ = 0,04× 1500 = 76 мкм.

ρ₃ = 0,02× 1500 = 38 мкм.

 

Расчет минимальных значений припусков  осуществляем с помощью следующей формулы:

 

2z_{min I} = 2(R_{z i-1} + T_i-1 + ρ_i-1)

 

Минимальный припуск:

под предварительное обтачивание:

 

2z_min1 = 2(150 + 200 +1500) = 4500 мкм;

 

под окончательное обтачивание

 

2z_min2 = 2(50 + 50 + 114) = 428 мкм;

 

под предварительное шлифование

 

2z_min3 = 2(30 + 30 + 76) = 252 мкм;

 

под окончательное шлифование

2z_min4 = 2(10 + 20 + 38) = 136 мкм;

 

Определяем расчетный размер d_р, начиная с конечного размера (чертежного), путем прибавления расчетного минимального припуска каждого технологического перехода [1, стр. 261]:

 

d_р3 = d + 2z_min4 = 40,009 + 0,136 = 40,145 мм.

d_р2 = d_р3 + 2z_min3 = 40,145 + 0,252 = 40,397 мм.

d_р1 = d_р2 + 2z_min2 = 40,397 + 0,428 = 40,825 мм.