Технология изготовления клапана

Содержание 

  1. Описание  функциональных признаков детали……………………….……..
    1. Механизм газораспределения………………………………………….…
    2. Клапаны впускные и выпускные………………………………………....
    3. Изготовлении клапанов……………………………………………….…..
  2. Выбор заготовки, материала, и определение коэффициента использования материала………………………….....................................................................
  3. Разработка технологического процесса……………………………………..
    1. Разработка маршрутно-технического процесса………………………...
    2. Разработка операционного технологического процесса……………....
  4. Расчет режима резания (на одну операцию)………………………………...
    1. Исходные данные………………………………………………………….
    2. Определении режима резания…………………………………………….
    3. Проверка выбранного режима по мощности……………………………
    4. Определение основного (технологического) времени………………......

Литература…………………………………………………………………………

 

         

1. Описание  функциональных признаков детали. 

1.1 Механизм  газораспределения

     Основное  назначение механизма газораспределения  – управление процессами впуска свежего заряда и выпуска отработавших газов. Механизм газораспределения в 4-тактных двигателях состоит из распределительного вала с приводом к нему, кулачный шайб (на валу), толкателей, штанг, рычагов, клапанов – впускных и выпускных; в 2-тактных двигателях газораспределения осуществляется самим поршнем чрез продувочные  и выпускные окна в цилиндре или через окна (продувка) и клапаны в крышке (выпуск). Передаточное отношение чисел оборотов распределительного вала к коленчатому валу составляет у 4-тактных двигателей 1:2 (так как открытие клапанов происходит один раз за два оборота коленчатого вала), тогда как у 2-тактных 1:1.

     Нужные  фазы клапанного газораспределения, т.е. моменты открытия и закрытия клапанов, а также законы движения клапанов определяются соответствующими профилями кулачных шайб, углом их заклинивания и кинематической схемой клапанного привода.

     Фазы  продувки и выпуска у бесклапанных 2-тактных двигателей определяются высотой окон и кинематикой шатунно-мотылевого механизма. 

1.2 Клапаны  впускные и выпускные

      Основными деталями  клапанного комплекта  являются (рис.1): клапан, корпус клапана,  направляющая втулка, пружина и ее тарелка.

Клапаны во время работы подвергаются  воздействию  высоких температур, а также значительным динамическим нагрузкам. Температуры  впускных клапанов достигают 300-400 С, а выпускных – 600-800 С; в особо тяжелых условиях работают выпускные клапаны, подвергающиеся воздействию протекающих с  
 

большой скоростью  горячих газов, вызывающих эрозию и газовую коррозию клапана.

     Теплоотвод  от клапанов осуществляется  в основном через опорное седло клапана и направляющую втулку стержня. В форсированных деталях для лучшего отвода тепло иног7да применяют пустотелые клапаны, залиты на ⅔ металлическим натрием,  имеющим низкую температуру плавления (97С) и высокую температуру кипения (880С). Заливка клапана натрием снижает температуру тарелки на 15-20%.

      Клапаны располагаются в крышке чащ всего  вертикально, что обеспечивает пониженный износ стержня и направляющей втулки; реже применятся наклонно расположении  клапанов. Клапаны открываются внутрь цилиндра, благодаря чему достигается плотно прилегании их к седлу при наличии высоких давлений газа в цилиндр; при небольших давлениях, а также при разрежении в цилиндр (во время процесса всасывания) плотность прилегания клапана к седлу обеспечивается натяжением пружины.

      Для получения хорошего наполнения цилиндра проходные сечения клапанов должны быть возможно большими.

      Клапаны устанавливают либо непосредственно  на крыше (см. рис. 1.а), либо помещают их в отдельный литой корпус (см. рис. 1,б); последняя конструкция сложнее, однако она позволяет производить смену клапанов без разборки крышки и охлаждаются водой. Непосредственная установка клапанов в крышки позволят увеличить диаметр тарелки клапана примерно на 20%  и применятся главным образом в двигателях быстроходного типа.

      Количество  клапанов у 4-тактных тихоходных двигателей, обычно два – один впускной и  один выпускной. 
 
 
 

 

При скорости поршня свыше 7-8 м/сек целесообразно  переходить на четыре клапана; обще проходное  сечение клапанов при этом увеличивается, а теплоотвод от клапанов (особенно выпускных) улучшается благодаря относительному уменьшению диаметра клапана. Для улучшения наполнения

цилиндра (при четырех клапанах) иногда диаметр  впускных клапанов делают на 15-20% больше диаметра выпускных.

      У 2-тактных двигателей с прямоточно-клапанной  продувкой  в  зависимости от скорости поршня и особенностей конструкции двигателя применяют  1,2,3 или 4 выпускных клапана.

      Клапаны делают цельными или составными: чаще всего применяется цельная  конструкция (см. рис. 1), которую изготовляют из кованных или штампованных стальных заготовок, причем тарелка клапана получается путем высадки материала. В быстроходных двигателях иногда применяют сварную конструкцию стержня и тарелки, изготовленных из различных материалов. В тихоходных двигателях встречаются составные конструкции клапанов (рис. 2 а, б), например, стальной стержень и опорная тарелка из жароупорного чугуна. 
 
 

В верхней  части стержня делают конус  а одну в  или несколько б выточек для фиксации опорной тарелки пружины (рис. 3) посредством разрезного сухаря г с конической наружной поверхностью. В малооборотных двигателях малой передней мощности ставят обычно одну пружину; в мощных двигателях – две и бол;  в бол форсированных двигателях устанавливают концентрически две (или даже три) пружины различного диаметра (см. рис. 1), причем навивка пружины должна быть сделана в разные стороны. 

 

В быстроходных двигателях  с непосредственным приводом клапана от кулачка тарелка  пружины ввертывается в нарзанно отверстие полого стержня клапана (рис. 4), что позволяет регулировать зазор между клапаном и кулачком.

      Тарелка 2 фиксируется особым замком 3, который  прижимается к тарелке клапанными пружинами; верхняя поверхность  тарелки должна быть цементирована и отшлифована.

      Переход от стержня к нижней тарелке клапана (грибку) должен быть выполнен с большим радиусом закругления и тщательно обработан, так как в

этом месте  обычно возникают наибольшие напряжения в клапане (рис. 5). Тарелка клапана имеет коническую фаску, которая садится на опорное седло;  
 

обычно  принимаемый угол конуса в 45 обеспечивает самоцентрирование клапана и надежно уплотни его.

      Форма тарелки клапана определяет его  жесткость, обтекаемость и устойчивость  конической фаски в работе. В тихоходных двигателях используют плоскую форму тарелки (рис. 5,а); в быстроходных двигателях применяют для впускных клапанов так называемую «тюльпанную» форму (рис. 5,б), а для выпускных клапанов – выпуклую (грибовидную) форму тарелки (рис. 5, в).

      Внутренний  диаметр клапанной тарелки d, определяющий проходное сечение клапана (см. рис. 1, а), составляет при двух клапанах в крышке d=(0,3…0,4)D, а при четырех клапанах d=(0,27…0,34) D. Ход клапана обычно лежит в пределах b=(0,24…0,70) d. Диаметр стержня d=(0,15…0,30) d.

      Опорным седлом клапана служит непосредственная крышка, корпус клапана или особо опорное кольцо (см. рис. 1.6). Опорное кольцо вставляется в корпус клапана (см. рис. 2,б), а в корпус крышки запрессовывается, ввертывается или завальцовывается (рис. 6).

     Начало подъема клапанов и момент посадки их на седло должны осуществляться плавно (с минимальными скоростями) во избежание возникновения ударов при  работе клапанов. Для обеспечения плотной посадки клапана на опорное седло должен быть предусмотрен регулировочный зазор, гарантирующий сохранении некоторого минимального зазора при всех режимах работы двигателя.

     Основными дефектами работы клапанов в эксплуатации являются: пропуски клапанов, выгорание поверхности фаски, зависание клапанов, обрыв тарелки клапана. 
 
 
 
 

 

1.3 Изготовление  клапанов

     Материалом  для клапанов служат стали разнообразных  марок. Пусковые клапаны, учитывая  содержание влаги в пусковом воздухе, изготовляют из нержавеющей стали 2 13.

     Для выпускных клапанов используют жаропрочные  и жаростойкие аустенитные стали. Наиболее широкое применение имеет сталь Х14Н14В. Иногда для  повышения  износостойкости стержни клапанов из стали Х14Н14В азотируют, а на фаски тарелок наплавляют литые твердые сплавы типа стеллитов, например вольфрамохромокобальтовый сплав ВЗК или нихром Х20Н80.

     Сплавы  ВЗК  и  Х20Н80 обладают хорошей  жаростойкостью до 1000-1100◦. Твердость  ВЗК около 70 HRC; нихром имеет меньшую твердость, но благодаря болшей пластичности лучше прирабатывается к седлу; плотное закрытие обеспечивается даже при короблении седел.  
 

     Твердые сплавы наплавляют на фаску клапана  восстановительным ацетилено-кислородным пламенем. Толщина наплавляющего слоя после шлифования около 1 мм.

     Для улучшения отвода тепла выпускные  клапаны иногда изготовляют полыми и заполняют металлическим натрием, который при работе двигателя находится  в жидком состоянии (температура плавления натрия 97.7◦)

     Выпускные клапаны менее форсированных  двигателей изготовляют из стали  Х10С2М (сильхром), которая дешевле  Х10СМ,  20ХН4ФА и др., а для малооборотных двигателей- сталь 45.

     Корпусы клапанов изготовляют из перлитного чугуна СЧ 28-48 и СЧ 32-52. У многооборотных  двигателей в головках или крышках  цилиндров  предусматривают  для  клапанов гнезда в которые запрессовывают направляющие втулки и седла.

Материалами для направляющих и седел служат бронзы БрАЖ 9-4, БрАЖМц 10-3-1.5 и др. Высокими механическими свойствами, износостойкостью и жаростойкостью отличаются алюмийниево-железо-никелевые бронзы БрАЖН 10-4-4 и БрАЖН 11-6-6. Седла клапанов для

     некоторых мощных двигателей изготовляют из твердых сплавов типа стеллитов.

     Заготовками для клапанов служат поковки и  штамповки. Тарелки образуют путем высадки материала.

     Стержень  клапана иногда подвергают правке между  двумя широкими  плоскими плитами, движущимися  в разные стороны.

     Перед окончательной механической обработкой заготовку подвергают термической  обработке. Для клапанов из стали  Х14Н4В она заключается в нагреве до 820◦ и охлаждении на воздухе.

     Основное  требование, предъявляемое к механической обработке клапана, - обеспечить строгую соосность конуса тарелки и направляющей части стержня. Проверяют соосность индикатором в специальном приспособлении. Клапан укладывают на призмы и слегка прижимают к ним пружиной и роликами. Вращение клапану передается от шпинделя, снабженного маховичком и резиновой подушкой. Осевое давление воспринимается упором. Биение допускается не

более 0.01 – 0.02 мм. На этом же приспособлении может  быть проверено биение торца, если его перпендикулярность к стержню необходима п условиям работы клапана.

     Направляющую  часть стержня выполняют с  допуском Х, а у выпускных клапанов – с допуском типа ТХ, чтобы избежать заедания при значительном нагреве. Соответствующие отверстия в корпусе или в направляющей втулке имеют допуск А.

     Высокие требования предъявляют к частоте  обработки направляющей части клапана (V9)  и к конусу (V8). Конусов дальнейшем  притирают к седлу на месте.

     При мелкосерийном производстве клапан точат и шлифуют обычно с установкой в центрах станка.

     В условиях серийного производства используют  высокопроизводительные  бесцентровые  шлифовальные станки. Заготовка вращается между двумя кругами: шлифующим, скорость которого равна 30-40  м/сек.  Деталь поддерживается направляющей линейкой . установочной базой служит сама обрабатываемая поверхность.

     Тарелку обтачивают на многорезцовом токарном станке: если днище тарелки имеет сферическое очертание, его обтачивают по копиру. При обточке тарелки стержень закрепляют в цанговом патроне. Окончательно стержень шлифуют также на бесцентровом шлифовальном станке.

     Рабочий конус тарелки шлифуют на шлифовальном станке с поворотной бабкой, базой  служит стержень клапана. 
 
 

     2.  Выбор заготовки, материала и определение коэффициента использования материала.

     Заготовками для клапанов служат поковки и штамповки. Тарелки образуют путем высадки материала. Для данного клапана используем сталь 40Х10С2М  (ГОСТ 5632-72). В состав стали входит 0.4% углерода,  10% хрома, 2% кремния, 1,0…1.5% молибдена.

     Одним из критериев оценки вида заготовки есть коэффициент использования материала, он определяется отношением объема готовой детали к объему заготовки:

, где  - обьем детали; - обьем заготовки.

Необходимо, чтобы  выполнялось условие

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3.Разработка технологического процесса.

    3.1. Разработка  маршрутно-технологического процесса.

Таблица №1 

    № операции Название операции
    05 Сварочная
    010 Фрезерно-центровальная
    015 Токарно-получистовая
    020 Сверлильная
    025 Токарная
    030 Сверлильная
    035 Токарная
    040 Термическая
    045 Шлифовальная
    050 Шлифовальная
    055 Шлифовальная
    060 Контрольная
    065 Слесарная

     Более подробно изложено в МК. 

2) Разработка операционного  технологического процесса. 

По  имеющемся  маршруту делаем более подробное  описание процесса. 

  1. Изготовление  лапана начинается с выбора материала  и вида заготовки. Выбираем материал сталь 40 10 С2М (ГОСТ 5632-72). Заготовка состоит из двух частей, а именно стержень клапана ø20 261, головка клапана ø86 и высотой 74 мм.
  2. Во время сварочной операции соединяем стержень клапана и головку в единую заготовку.
  3. На  токарно-винторезном станке 16R20ФЗ  при помои специального приспособления (при станке) двусторонний фрезерно-центровальный  полуавтомат последовательного действия МР73, производим фрезерование торцов в размер 330+0.5 мм и центрование с двух сторон одновременно.
 
  1. На токарно-винторезном  станке 16R20ФЗ  осуществляем токарно-получистовую операцию. Получаем диаметр стержня клапана  ø18+0.25 , диаметр головки клапана 84+0.25 мм, радиус  скругления клапана R 50+0.25 мм.
  2. На сверлильном станке 2А125 осуществляем сверлильную операцию. Устанавливаем заготовку на опору и закрепляем в трехкулачковый патрон. В патрон сверлильного станка устанавливаем сверло ø6 мм и сверлим два отверстия ø67мм.
  3. На токарном станке  16К20ФЗ  зажимаем заготовку в трехкулачном патроне, в место центра устанавливаем сверло ø3 мм и сверлим отверстие ø346 мм.
  4. На сверлильном станке 2А125 осуществляем сверлильную операцию. Устанавливаем заготовку на призму и закрепляем. В патрон сверлильного станка устанавливаем сверло ø2 мм и сверлим сквозное отверстие.
 
  1. На токарном станке 16К20ФЗ  осуществляем токарную операцию. Устанавливаем заготовку в цилиндрический  зажим и закрепляем  в трехкулачковом патроне. Получаем посадочное место R10 мм под тарелку пружины клапана, фиксируемую сухарем.
  2. На участке ТВЧ  производим термическую операцию. Поверхность Д закалить на глубину 2...4 мм до HRC≥54.  Твердость поверхности «а» цилиндрической поверхности шейки не более HRC35.
  3. На шлифовальном станке осуществляем шлифование стерня клапана, головки и торцов клапана, получая при этом исходные размеры высоты клапана 330h11, диаметра головки клапана  ø84 h11, диаметр стержня клапана ø18.
 
 
 
  1. После проведения основных операций проводится контроль качества изготовления.
  2. Окончательным этапом является слесарная операция, которая предусматривает окунание детали в масло,  заварачивание  в промасленную бумагу и упаковка с последующей сдачей на склад.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    4.Расчет режима резания (на одну операцию). 

4.1 Исходные  данные. 

Для расчета  берем 015 (токарно-получистовую).

Деталь  – клапан.

Операция  – обточка по диаметру и контуру головки, получистовая.

Обрабатываем  материал – сталь хромистая 40 10С2М, ов=100кг/

Характер  заготовки – штамповка.

Станок  – токарно-винторезный 16К20ФЗ.

Инструмент  – резец проходной ВК4 ГОСТ 20872-80.

Приспособления – спецприспособление.

Паспортные  данные станка 16К20ФЗ:

Число оборотов шпинделя n в минуту: 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 530; 690; 800.

Подачи  продольные s в мм/об: 0,47; 0,52; 0,57; 0,61; 0,70; 0,78; 0,87; 0,95; 1,04; 1,14; 1,21; 1,4; 1,56; 1,74;

Наибольшая  сила, допускаемая механизмом продольной подачи 360кг.

Мощность  электродвигателя 10кВт.

Мощность  на шпинделе по приводу (для n=80…800об/мин) 7,6…8,5 кВт.

Мощность  на шпинделе, допускаемая прочностью слабых звеньев кинематической цепи (для n=80…800об/мин) 7,6…8,5 кВт. Слабо звено – клиноременная передача. 
 
 
 
 
 
 

4.2 Определение  режима резания. 

4.2.1 По величине  общего припуска на обработку  0.5мм (на сторону) с учетом необходимости  оставления припуска на чистовую  обработку 0,25 мм устанавливается  глубина резания t=0,875 мм для обработки по все поверхности детали.

4.2.2. По карте  1 определяем подачу, величина которой  для обработки стали с резцом  державки 25 25 мм при точении детали до 20 мм с глубиной резания t=0,875 мм рекомендуется в пределах 0,3…0,4 мм/об.

Ближайшее значение подачи по паспорту станка s=0,47 мм/об которая и принимается для работы. Проверяем принятую для работы подачу по осевой резания, допускаемой прочности механизма подачи.

По приложению 7 определяем силу подачи при резании. Сила подачи =109…92 кг. (для работы со скоростью 65…100м/мин), то есть меньше, чем допускается механизмом станка ( ).

4.2.3. По карте  6 определяем скорость резания.  Для обработки стали 40 10С2М (ГОСТ 5632-72) ов=100 , t=до1мм, s=0,47 скорость резания для работы резцом.

ВК4 ГОСТ 20872-80 с  углом в плане  составляет υ=82 м/мин. 

4.2.4. По установленной  скорости резания определяем число оборотов шпинделя: 

 
 
 

4.2.5. Найденное число  оборотов корректируем по паспорту  станка. Для первого перехода n=800 об/мин, для двух других n=315 об/мин. Отсюда после корректировки находим фактическую скорость резания: 
 

 
 

4.3 Проверка выбранного  режима по мощности.

Согласно паспорту станок в пределах выбранного режима имеет постоянную мощность на разных числах оборотов, а слабым звеном его  является клиноременная передача; поэтому проверку режима целесообразнее производить по мощности, как боле удобную и достаточно точную.

По карте 7 определяем мощность, потребную на резание. При  обработке стали  40 10С2М (ГОСТ 5632-72) σв=100 , t=до1мм, s=0,47 и v=85 м/мин мощность на резанке (по наиболее загруженному переходу) составляет N=7.6…8.5кВт, то есть больше мощности потребной на резанке. Следовательно, установленный режим резания по мощности осуществим. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.4 Определение  основного (технологического) времени. 

Основное (технологическое) время определяется  по  формуле мин;

где 1 – длина  обрабатываемой поверхности в мм;

 – величина врезания и перебега резца в мм;

– дополнительная длина на взятие пробной стружки в мм;

n – число оборотов в минуту в об/мин;

s – подача на один оборот шпинделя в мм/об. 

Согласно приложению 4 величина врезания и перебега для  резца ВК4 ГОСТ 20872-80 с углом в  плане  принимается  равной 2мм.

Обработка детали производится с установкой резца  по лимбу без пробных стружек, поэтому дополнительная длина на взятие пробной стружки не учитывается. Тогда: 

 

Основное (технологическое) время операцию равно: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература 

1. В.Б.Борисов, Е.И.  Борисов, В.Н. Васильев Справочник  технолога-машиностроителя. 1,2 том,  М.: «Машиностроение», 1986.

2. А.А. Гусев,  Е.Р. Ковальчук Технология машиностроения (специальная часть) М.: «Машиностроение», 1974.

3. Г.А. Монахов  Обработка металлов резанием. Справочник  технолога. Изд. 3-е. М.: «Машиностроение», 1974.

4. А.Ф. Горбацевич. Курсовое проектирование по технологии  машиностроения, Минск, 1975.

5. Б.К. Хлопенко, М.М. Івахенко. Проектування технологічних процесів обробки типових деталей. Методичні вказівки. Миколаїв 2003.