Технологічний процес виготовлення ступінчастих валів

Технологія виготовлення ступінчастих валів

1. Службове призначення, конструктивні різновиди і технічні умови на виготовлення

До деталей цього класу відносять вали, осі тяги, циліндричні стиржні типу пальців і тощо.

Вали призначені для передачі крутного моменту і працюють на кручення та згинання.

Осі є круглими балками, що працюють на згинання.

Тяги призначені для передачі осьових зусиль і працюють на розтягування, стискання та поздовжнє згинання.

Найбільш питому вагу серед деталей цього класу мають вали. Основними конструктивними різновидами валів є вали гладкі, ступінчасті та фланцеві. Найбільш поширені ступінчасті вали. Вони виконуються з потовщеною частиною посередині або з одного кінця. Фланцеві вали зустрічаються переважно у важкому машинобудуванні (гідротурбобудуванні). Вони звичайно виконуються порожнистими.

Довжина валів — від декількох десятків міліметрів до декількох метрів.

Найбільш поширені в машинобудуванні різні ступінчасті вали середніх розмірів, серед яких переважають гладкі вали. За даними ЭНИМСА, понад 85% від загальної кількості типорозмірів ступінчастих валів у машинобудуванні складають вали довжиною 150−1000 мм.

Шийки ступінчастих валів можуть мати шпонкові пази, шліци чи різь. При переході від одного східця до другого передбачаються канавки чи галтелі. Обробка галтелей більш складна, тому у всіх випадках, коли це допустимо, необхідно передбачати канавки. На торцях вала доцільно мати фаски. Вали, довжина яких не перевищує 15-кратної величини діаметра (l 15d), вважають жорсткими, при l 15d вали вважаються нежорсткими.

Технічні умови виготовлення валів характеризуються такими даними. Діаметри посадочних шийок обробляються за 7−9 квалітетами, в окремих випадках — за 5 квалітетом точності.

Овальність та конусність шийок валів повинні знаходитись в межах допусків на їх діаметри. Биття посадочних шийок відносно базуючих (подвоєний ексцентриситет) не повинно перевищувати 10−30 мкм. Осьове биття упорних торців чи уступів не повинно бути більше 0,01 мм на найбільшому радіусі. Відхилення від паралельності шпонкових канавок чи шліців осі вала не повинно перевищувати 0,1 мкм на 1 мм довжини. Допуски на довжину східців — 50−200 мкм. Допустима викривленість осі вала — 0,03−0,05 мм/м. Шорсткість посадочних шийок R_а = 1,25−0,08 мкм, а торців і уступів — 4−2,5 мкм.

2. Матеріали і способи одержання заготовок

Вали в основному виготовляють з конструкційних і легованих сталей, до яких висуваються вимоги високої міцності, хорошої оброблюваності, малої чутливості до концентрації напружень, а також для підвищення зносостійкості - спроможності піддаватись термічній обробці. Переліченим вимогам найбільш повно відповідають сталі марок 35, 40, 45, 40 Г, 50 Г, 40Х.

Застосування легованих сталей у порівнянні з конструкційними трохи обмежене із-за більш високої їх вартості, а також підвищеної чутливості до концентрації напружень.

В умовах масового і великосерійного виробництва заготовки валів штампуються у закритих штампах на молотах або пресах з наступним обрізанням облою. Заготовки ступінчастих валів виконують також на ротаційно-кувальних машинах і поперечно-гвинтовою прокаткою (рис.1), а заготовки з однобічним потовщенням — на горизонтально-кувальних машинах і методом електровисадки.

Рис.1. Схема поздовжньо-гвинтової прокатки вздовж змінного перерізу по довжині на тривалкових станах

Для ступінчастих валів з невеликим перепадом діаметрів східців застосовують також гарячекатаний прокат.

Вибір методу одержання заготовки виконують, порівнюючи сумарні собівартості процесів одержання заготовки і механічної обробки варіантів, що порівнюються. Для гладких валів застосовують переважно калібрований прокат.

В умовах одиничного і дрібносерійного виробництва заготовки валів виконують вільним куванням (у дрібносерійному виробництві нерідко із застосуванням підкладних штампів) чи використовують гарячекатаний прокат.

Вихідним матеріалом для кованих заготовок є круглий прокат.

Заготовки великих валів одержують вільним куванням з виливка або електрошлаковим зварюванням з попередньо підготовлених елементів.

У зв’язку з тим, що кривизна прокату і поковок досягає в ряді випадків 5 мкм на 1 мм довжини вала, виникає необхідність у правці заготовок з метою зменшення припусків на механічну обробку. Правкою зменшують кривизну заготовок до 0,5−1 мкм/мм.

3. Способи базування

Найбільш поширеними схемами базування є базування по центрових отворах (рис. 2, а), базування по циліндричних шийках (рис. 2, б) і консольне базування по діаметру прутка (рис. 2, в). Для нежорстких валів застосовують додаткові опори, що матеріалізуються сухариками рухомих чи нерухомих люнетів.

Рис.2. Схеми базування валів

4. Типові технологічні маршрути

При однобічному розташуванні східців і довжині вала до 120 мм обробку проводять на пруткових револьверних верстатах або автоматах, виконуючи до відрізання всі чорнові та чистові переходи.

На рис. 3 показане налагодження револьверного верстата для обробки вала з каліброваного прутка. Обточування кінця вала під різь здійснюється за допомогою люнетної державки, що зменшує вібрацію та відтискання прутка при обробці.

Штамповані та нарізані з прутка заготовки для ступінчастих валів довжиною L 120 мм обробляють звичайно в центрах за таким маршрутом:

1. Почергове чи одночасне фрезерування торців заготовок.

2. Зацентровування заготовок з двох боків.

3. Попереднє обточування заготовки (звичайно з двох встановлень).

4. Чистове обточування.

5. Попереднє шліфування шийок.

6. Фрезерування шпонкових пазів чи шліців.

7. Свердління отворів (якщо передбачено кресленням).

8. Нарізання різей.

9. Термічна обробка (якщо потрібна).

10. Остаточне шліфування шийок.

Рис.3. Схема обробки вала на токарно-револьверному верстаті: I - подача до упора; II - підрізання торця; III - обточування кінця під різь; IV - зняття фаски; V - нарізання різі; VI - відкріплення, подача до упора і закріплення прутка; VII - відкріплення

Маршрут обробки нежорстких валів ускладнюється введенням додаткових операцій проточування та шліфування шийки під люнет (до токарної обробки), а також введенням декількох операцій проміжної правки (якщо вона допускається технічними умовами).

Похибки заготовки закономірно зменшуються при кожному технологічному переході механічної обробки, тому число технологічних переходів для обробки кожної елементарної поверхні визначається точністю виконання заготовки і вимогами, що висуваються до готової деталі.

Биття посадочних шийок відносно базуючих усувають обробкою їх з одного встановлення заготовки. За бази при виконанні більшості операцій приймають центрові пробки або конічні фаски отвору.

Для забезпечення паралельності шпонкових пазів чи шліців осі вала обробка їх повинна здійснюватись зі встановленням на центри, обробка — зі встановленням в призмах чи центруючих втулках може бути прийнята за умови точної обробки базуючих шийок відносно центруючих гнізд.

Задача витримування жорстких допусків по довжині східців при способі автоматичного одержання розмірів розв’язується паралельним підрізанням торців на попередньо налагоджених верстатах і встановленням заготовки на плаваючий центр, якщо заданий жорсткий допуск на довжину східця від лівого торця.

5. Методи виконання окремих операцій

В умовах одиничного виробництва зацентрування вала і вся наступна токарна обробка складає одну токарну операцію, що виконується за декілька встановлень та великої кількості переходів.

В умовах серійного і масового виробництва ця робота розбивається на ряд операцій, які звичайно виконуються на різних верстатах різними виконавцями.

Операції фрезерування та зацентровування торців виконується за двома варіантами:

1) для валів більш великих розмірів застосовуються фрезерно-центрувальні напівавтомати МР-71 та МР-73, які обробляють заготовки діаметром до 125 мм і довжиною до 500 мм, і фрезерно-центрувальні напівавтомати барабанного типу МР-78, що призначені для заготовок діаметром до 60 мм і довжиною до 825 мм;

2) для валів діаметром до 50 мм і довжиною до 525 мм фрезерування торців здійснюється на двобічних торце-фрезерних автоматах А981М, а центрування — на двобічному центрувальному автоматі А982М.

Обидва ці верстати можуть встроюватись в автоматичну лінію.

В серійному і дрібносерійному виробництвах розглянуті операції виконуються на фрезерно-центрувальних верстатах ФЦ-1 та ФЦ-2 (рис.4). Виконується також роздільне фрезерування торців на горизонтально — чи поздовжньо-фрезерних верстатах, а центрування — на дво — або однобічних верстатах.

Рис.4. Схема фрезерування торців і зацентровування на фрезерно-центрувальному верстаті: 1 - супорти; 2 - затискні призми; 3 - оброблювана заготовка; 4 - упор; 5 - фрези; 6 - свердла

Торці валів піддаються однопрохідній обробці. При цьому забезпечується точність та шорсткість поверхні, які передбачені технічними умовами.

На рис. 5 показана типова для серійного виробництва схема обробки торців на горизонтально-фрезерному верстаті з перекладанням заготовок.

Рис.5. Схема фрезерування торців двох заготовок на горизонтально-фрезерному верстаті: 1 - установчі призми; 2 - затискна планка; 3 - оброблювані заготовки; 4 - упори; 5 - фреза

Чорнове і чистове обточування валів виконується в масовому і великосерійному виробництвах на токарних багатошпиндельних вертикальних напівавтоматах мод 1282, 1А283 тощо, на одношпиндельних багаторізцевих напівавтоматах мод.1711, 1721, 1А730, А983, А984М (останні дві моделі вбудовуються в автоматичні лінії), а також на токарних гідрокопіювальних напівавтоматах мод.1712, 1722 та ін.

В серійному і дрібносерійному виробництвах застосовуються токарні гідрокопіювальні напівавтомати, токарні верстати, що обладнані гідрокопіювальними супортами, а також токарні верстати звичайного типу.

Багатошпиндельні вертикальні напівавтомати внаслідок їх високої вартості та складності налагодження знаходять застосування тільки в масовому і великосерійному виробництвах. На рис. 6 показана схема налагодження для обробки ступінчастого вала на шестишпиндельному вертикальному токарному напівавтоматі безперервної дії за двоцикловою схемою.

При багаторізцевій обробці на вертикальних багатошпиндельних напівавтоматах послідовної дії в результаті обробки поверхонь за декілька переходів досягається 8-й квалітет точності, на напівавтоматах паралельної (безперервної) дії в результаті одноперехідної обробки кожної поверхні одержують 10-й квалітет точності.

При обробці на багатошпиндельних багаторізцевих напівавтоматах при попередньому обточуванні звичайно одержують 10−12 квалітети, а при чистовому точинні 9−1 квалітет точінні, розміри за довжиною одержують також за 9−12 квалітетами.

Багаторізцеве обточування в будь-якому варіанті має переваги за затратами основного часу в порівнянні з обточуванням на звичайних токарних верстатах. Найбільш ефективна побудова операцій багаторізцевого обточування за методом поділу довжини обробки. При цьому кожна шийка вала обробляється за один прохід і основний час визначається по різцю, що обробляє найбільш довгу ділянку вала. На рис. 7 як приклад показане налагодження для обробки ступінчастого вала на багаторізцевому напівавтоматі.

Рис.6. Схеми обробки вала на вертикальному багатошпиндельному напівавтоматі безперервної дії: 1-17 - оброблювані поверхні на попередній та чистовій обробці

В умовах дрібносерійного виробництва дуже поширений спосіб обробки валів на звичайних токарних верстатах, які мають копіювальні пристосування, зокрема, гідросупорти КСТ-1. На рис. 8 показана схема такої обробки.

При проточуванні канавок і підрізанні торців окремих східців відповідні різці встановлюють на передньому поворотному різцетримачі токарного верстата. В цьому випадку канавки проточують вручну канавочним різцем верхнього супорта, повернутим на 90є. При обробці багатоступінчастих валів, у яких частина східців збігається за розмірами, для скорочення налагодження доцільно застосовувати комбіновані циліндричні поворотні копіри зі спеціальним налагодженням на ті східці лівого боку вала, розміри яких відрізняються від розмірів східців правого боку вала.

Точність обробки за допомогою копіювальних пристосувань знаходиться в межах 9-го квалітета. Економічність токарної обробки при застосуванні гідросупортів визначається конфігурацією оброблюваних деталей, вимогами точності та кількістю деталей в партії. Застосування гідросупорта тим доцільніше, чим більше східців у вала і чим складніша його конфігурація.

Рис.7. Схеми обробки вала на багаторізцевому напівавтоматі:

а - чорнове обточування одного кінця; б - чорнове обточування другого кінця; в, г - чистове обточування кінців вала в тій же послідовності.

Рис.8. Схема налагодження токарного верстата з гідросупортом: а - перше встановлення; б - друга установка

На рис. 9 показана залежність оптимальної партії з М деталей від кількості східців Z на деталі, при якій економічне застосування гідросупорта. Область 1 вище кривої є областю економічно доцільного застосування гідросупорта, 2 — область звичайного токарного способу обробки.

Рис.9. Залежність оптимальної партії деталей Z від кількості циліндричних

В умовах серійного і масового виробництва копіювальна обробка валів здійснюється на спеціальних гідрокопіювальних верстатах, обладнаних двома супортами: копіювальним — для обточування циліндричних і конічних шийок вала, і поперечним — для підрізання торців, зняття фасок і проточування канавок (рис.10).

Рис.10. Схема обробки заготовки ведучого зубчатого колеса на гідрокопіювальному напівавтоматі

Сучасні конструкції гідрокопіювальних верстатів (мод.1722, 1712) оснащені копірними барабанами (рис.11) для встановлення декількох плоских копірів. За допомогою таких верстатів можна здійснювати 4 технологічних переходи (по 2 з кожного боку: чорновий і чистовий).

Рис.11. Копіювальний барабан для встановлення декількох плоских копірів.

Однопрохідна копіювальна і однопрохідна багаторізцева обробка жорстких валів забезпечує точність 8−10 квалітету.

Сучасні токарно-копіювальні верстати в 1,5−2 рази продуктивніші універсальних токарних.

На токарно-копіювальних верстатах найновіших моделей можна виконувати чорнову обробку багаторізцевим супортом, а чистове обточування — однорізцевим копіювальним супортом.

В дрібносерійному виробництві економічно доцільним може виявитись застосування при обробці ступінчастих валів універсальних токарних верстатів з ЧПК типу 1К62ПУ. Залишаючись, як і раніше, універсальними, такі верстати допускають обробку за автоматичним циклом, що полегшує багатоверстатне обслуговування, допускає швидке і просте переналагодження при обточуванні ступінчастих валів різних розмірів за заздалегідь розробленою програмою.

Фрезерування шпонкових пазів виконується на шпонково-фрезерних верстатах (692А) торцевою фрезою або на горизонтально-фрезерних верстатах дисковою фрезою в залежності від конструкції паза. Вал встановлюється на центри або шийками на призми, що вивірені на паралельність напрямку руху подачі.

Шліцьові поверхні на валах обробляються на шліцефрезерних верстатах (5350, 5603, 5618А) черв’ячною фрезою зі встановленням на жорстких центрах. За умовами продуктивності доцільно на шийках валів діаметром до 60−80 мм фрезерувати шліци за один прохід, при більших розмірах фрезерування поділяють на попереднє і чистове. Обробку шліцьових поверхонь виконують за дві операції незалежно від розміру в тому випадку, коли вал проходить термічну обробку з незначним підвищенням твердості (HRC 40). В цьому випадку попереднє нарізання робиться до термічної обробки, при чистовому нарізанні після термічної обробки усувають просторові похибки, що виникли, і забезпечують потрібну точність і шорсткість поверхні без шліфування.

Перспективний процес накатування шліців. Цей метод високопродуктивний і поліпшує фізико-механічні властивості металу.

Свердління отворів виконується на одно — чи багатошпиндельних свердлильних верстатах. Тип верстата і схема встановлення залежить від конструкції вала і розташування отворів. Створення різі на шийках, що загартовуються до термічної обробки, а на тих, що не загартовуються, після остаточного шліфування шийок вала. Цим зменшується небезпека псування різі при транспортуванні заготовок.

Метод формування різі залежить від її класу точності. Для валів з різзю 2-го класу точності в масовому і великосерійному виробництвах застосовуються різетокарні напівавтомати 1920 і 1921. Нарізання різі здійснюється твердосплавним інструментом за автоматичним циклом. В цих типах виробництва для створення нарізки 3-го і 4-го класів точності застосовуються різенакатні (5А932 і 5А935) і різефрезерні (5М5Б62) верстати.

В серійному і дрібносерійному виробництвах різі 2-го класу точності одержують на токарно-гвинторізних верстатах звичайним чи вихровим методом. Різі 3-го і 4-го класів точності нарізаються на універсальних токарних, а в окремих випадках на болторізальних верстатах.

Термічна обробка найчастіше виконується у вигляді поверхневого загартування шийок з нагріванням в індукторі струмами високої частоти. Рідше зустрічається цементація з наступним загартуванням шийок чи загальне загартування вала.

Для шліфування шийок вала використовують дві операції: попередню і чистову. Вали шліфуються на круглошліфувальних верстатах методом поздовжньої подачі (на прохід) чи поперечним врізанням зі встановленням заготовки в центрах. Ступінчасті вали шліфуються також на безцентрово-шліфувальних верстатах.

Шліфування з поперечною подачею відрізняється високою продуктивністю, особливо при обробці набором кругів, коли одночасно шліфується декілька шийок вала. Врізне шліфування широким профільним кругом застосовують для одночасної обробки декількох близько розташованих поверхонь. При цьому загальна ширина круга звичайно не перевищує 250 мм.

Одночасне шліфування шийки і торця виконують на торцешліфувальних верстатах мод.3Т161 та інших з нахилом круга.

Для підвищення продуктивності праці на шліфувальних операціях передбачають активний контроль розмірів.

Безцентрове шліфування здійснюється з наскрізною подачею (на прохід) чи з поперечною подачею (врізанням). Жорсткість технологічної системи при безцентровому шліфуванні в 1,5−2 рази вища жорсткості системи при круглому шліфуванні. Тому при безцентровому шліфуванні режими різання підвищуються в 1,5−2 рази, і полегшується задача обробки нежорстких валів.

Проте при шліфуванні на центрах можна одержати більш круглі шийки і більшу співвісність східців вала. Безцентрові верстати легко автоматизуються і встроюються в автоматичні лінії.

Шліфування шліців виконується в тому випадку, якщо центрування вала із втулкою здійснюється по їх дну боковими сторонами. При шліфуванні шліців забезпечується їх симетричність, потрібний радіус дна і паралельність осі вала.

Шліфування шліців профільним кругом чи набором кругів виконується на шліцешліфувальних верстатах.

ступінчастий вал базування серійний

Використана література

1. Проектирование технологии / Под редакцией Ю. М. Соломенцева. — М.М., 1990. — 416 с.

2. Руденко П. А. Раздел 3. Технология изготовления машин: Конспект лекцій. — Чернишов, 1986. — 159 с.

3. Технология машиностроения (специальная часть) / Гусев А. А., Ковальчук Е. Р., Колосов И. М. и др. — М., 1986. — 480 с.

4. Якимов О. В., Гусарев В. С., Якимов О. О., Линчевський П. А. Технологія автоматизованого машинобудування. — К. 1994. — 400 с.