Технология изготовления деталей класса "круглые стержни" (валы) характеристика валов

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КЛАССА "КРУГЛЫЕ СТЕРЖНИ" (ВАЛЫ)

 ХАРАКТЕРИСТИКА ВАЛОВ 

В технологии машиностроения в понятие "валы" принято включать собственно валы, оси, пальцы, штоки, колонны и другие подобные детали машин, образованные наружными поверхностями вращения при значительном преобладании длины над диаметром. Конструктивное разнообразие валов вызывается различным сочетанием цилиндрических, конических, а также зубчатых (шлицевых), резьбовых поверхностей. Валы могут иметь шпоночные пазы, лыски, осевые и радиальные отверстия.

Технологические задачи формулируются в соответствии с рекомендациями и охватывают требованиями к точности детали по всем их параметрам.

Точность размеров. Точными поверхностями валов являются, как правило, его опорные шейки, поверхности под детали, передающие крутящий момент. Обычно они выполняются по 6–7-му квалитетам. Точность формы. Наиболее точно регламентируется форма в продольном и поперечном сечениях у опорных шеек под подшипники качения. Отклонения от круглости и профиля в продольном сечении не должен превышать 0,25...0,5 допуска на диаметр в зависимости от типа и класса точности подшипника.

Точность взаимного расположения поверхностей. Для большинства валов главным является обеспечение соосности рабочих поверхностей, а также перпендикулярности рабочих торцов базовым поверхностям. Как правило, эти величины выбираются по V – VII степеням точности. Качество поверхностного слоя. Шероховатость базовых поверхностей обычно составляет Rа = 3,2...0,4 мкм, рабочих торцов Rа = = 3,2...1,6 мкм, остальных несоответственных поверхностей Rа = = 12,5...6,3 мкм. Валы могут быть сырыми и термообработанными. Твёрдость поверхностных слоёв, способ термообработки могут быть весьма разнообразными в зависимости от конструктивного назначения валов. Если значение твёрдости не превышает НВ 200...230, то заготовки подвергают нормализации, отжигу или термически не обрабатывают. Для увеличения износостойкости валов повышают твёрдость их рабочих поверхностей. Часто это достигается поверхностной закалкой токами высокой частоты, обеспечивающей твёрдость НRС 48...55. Поверхности валов из малоуглеродистых марок стали подвергают цементации на глубину 0,7...1,5 мм с последующей закалкой и отпуском. Таким способом можно достичь твёрдости НRС 55...60.

Так например, для вала, представленного на рис. 1 технологические задачи формулируются следующим образом.

– точность размеров основных поверхностей находится в пределах 6 – 8-го квалитетов, а размеры с неуказанными отклонениями выполняются по 14-му квалитету;

– точность формы регламентируется для опорных шеек допусками круглости и профиля в продольном сечении – 0,006 мм, а у остальных поверхностей погрешности формы не должны превышать определённой части поля допуска на соответствующий размер (например, для нормальной геометрической точности 60 % от поля допуска);

– точность взаимного расположения задаётся допусками радиального и торцового биений (соответственно 0,02 и 0,016 мм) относительно базы;

– шероховатость сопрягаемых цилиндрических поверхностей ограничивается значениями Rа = 0,8 мкм, а торцовых Rа = 1,6 мкм; шероховатость несопрягаемых поверхностей Rа = 6,3 мкм; шлицевый участок подвергается термообработке ТВЧ НRС 50...55.

                                       Рис. 1. Эскиз вала

К технологичности валов предъявляются некоторые специфические требования:

1. Перепады диаметров  ступенчатых валов должны быть  минимальными. Это позволяет уменьшить  объём механической обработки  при их изготовлении, и сократить  отходы металла. По этой причине конструкция вала с канавками и пружинными кольцами более технологична конструкции вала с буртами.

2. Длины ступеней валов  желательно проектировать равными  или кратными длине короткой ступени, если токарная обработка валов будет осуществляться на многорезцовых станках. Такая конструкция позволяет

упростить настройку резцов и сократить их холостые перемещения.

3. Шлицевые и резьбовые  участки валов желательно конструировать  открытыми или заканчивать канавками для выхода инструмента. Канавки на валу необходимо задавать одной ширины, что позволит прорезать их

одним резцом.

4. Валы должны иметь  центровые отверстия. Запись в  технических требованиях о недопустимости центровых отверстий резко снижает технологичность вала. В таких случаях принято удлинять заготовку для нанесения временных центров, которые срезают в конце обработки.

 

МАТЕРИАЛЫ И ЗАГОТОВКИ ВАЛОВ

Валы, в основном, изготовляют из конструкционных и легированных сталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, хорошей обрабатываемости, малой чувствительности к концентрации напряжений, а также повышенной износостойкости. Этим требованиям, в определённой степени, отвечают стали марок 35, 40, 45, 40Г, 40ХН и др. Достаточно редко валы отливают из чугуна.

В технических требованиях на изготовление валов, прежде всего, указываются твёрдость материала или необходимость соответствующей термической обработки. Если значение твёрдости не превышает НВ 200...230, то заготовки подвергают нормализации, отжигу или термически не обрабатывают. Для увеличения износостойкости валов повышают твёрдость их рабочих поверхностей. Часто это достигается поверхностной закалкой токами высокой частоты, обеспечивающей твёрдость HRС 48...55. Поверхности валов из малоуглеродистых марок стали подвергают цементации на глубину 0,7...1,5 мм с последующей закалкой и отпуском. Таким способом можно достичь твёрдости НRС 55... 60.

Производительность механической обработки валов во многом зависит от вида заготовки, её материалов, размера и конфигурации, а также от характера производства. Заготовки получают отрезкой от горячекатаных или холоднотянутых нормальных прутков и непосредственно подвергают механической обработке. Прокат круглого сечения поступает на машиностроительные заводыв виде многометровых прутков, из которых в заготовительных цехах нарезаются заготовки необходимой длины.

В наибольшей мере указанным требованиям отвечают отрезные круглопильные станки, применяемые в серийном и массовом производствах. В качестве режущего инструмента в них применяются пильные диски, оснащённые сегментами из быстрорежущей стали. Таким диском можно разрезать прокат диаметром до 240 мм или пакет прутков меньшего диаметра. Торцы заготовок после отрезки имеют шероховатость Rа = 25 мкм.

В мелкосерийном и единичном производствах применяются более простые, но менее производительные отрезные ножовочные станки. Тонкие ножовочные полотна дают узкий пропил, но вследствие малой жёсткости

не обеспечивают высокой перпендикулярности торцов заготовок.

Резка прутков и труб из высокотвёрдых, закалённых сталей наиболее эффективна на абразивно-отрезных станках, оснащённых тонкими, толщиной 3...6 мм абразивными кругами на бакелитовой или вулканитовой связках. Благодаря высокой скорости вращения, достигающей 80 м/с, круги быстро разрезают пруток, образуя ровный срез с шероховатостью Rа = 3,1...6,3 мкм. Во избежание пережога торцов зона резания обильно поливается охлаждающей жидкостью.

В сравнении с перечисленными другие методы резки применяются реже. К ним относятся: резка на токарно-отрезных станках отрезными резцами, на фрезерных станках прорезными фрезами, резка фрикционными пилами. Фрикционная пила представляет собой тонкий стальной диск, которому сообщается скорость вращения выше 100 м/с. В месте контакта с заготовкой выделяющаяся вследствие трения теплота расплавляет металл прутка, что обеспечивает высокую производительность процесса. Однако оплавление торцов заготовок снижает их качество.

К наиболее производительным методам относятся рубка прутков на прессах и резка ножницами. Существенным недостатком этих методов, ограничивающим их применение, является смятие концов заготовок. На машиностроительные заводы прокат поступает с заметными отклонениями от прямолинейности оси. Для устранения кривизны прутки перед резкой подвергают правке (рис.2). Для этой цели служат правильно калибровочные станки. Нарезанные заготовки перед началом обработки, а иногда и в процессе дальнейшей обработки также приходится подвергать правке. Такую правку обычно проводят на прессах.

 

Рис.2. Схема правильно – рихтовочного устройства станка:

1. пруток; 2- ролик

Заготовки такого вида применяют в основном в мелкосерийном и единичном производстве, а также при изготовлении валов с небольшим количеством ступеней и незначительными перепадами их диаметров.

В производстве с более значительным масштабом выпуска, а также при изготовлении валов более сложной конфигурации с большим количеством ступеней, значительно различающихся по диаметру, заготовки целесообразно получать методом пластической деформации. Эти методы (ковка, штамповка, периодический прокат, обжатие на ротационно-ковочных машинах, электровысадка) позволяют получать заготовки по форме и размерам наиболее близкие к готовой детали (рис.3), что значительно повышает производительность механической обработки и снижает металлоёмкость изделия.

Выбор наиболее рационального способа получения заготовки в каждом отдельном случае определяется комплексно с учётом технико-экономической целесообразности. С увеличением масштабов выпуска особое значение приобретают эффективность использования металлов и сокращение трудоёмкости механической обработки. Поэтому в крупносерийном и массовом производстве преобладают методы получения заготовок с коэффициентом использования металлов от 0,7 и выше (отношение массы детали к норме расхода металла), доходящего в отдельных случаях до 0,95. Полые валы целесообразно изготавливать из труб.

Рис.3. Заготовки полученные разными методами:

а) штамповкой в штампах;

б) штамповкой на горизонтально – ковочной машине;

в) поперечно – винтовой прокаткой

ОБРАБОТКА ГЛАДКИХ ВАЛОВ

Обработка всех валов делится на черновую, чистовую и отделочную. Гладкие валы: диаметр 20…50 мм. Маршрут обработки (серийное производство):

1. Правка прутка на  правильно-калибровочных станках.

2. Разрезание на штучные  заготовки.

3. Фрезерование торцов  и зацентровка. При большой программе  выпуска – на фрезерно-центровальных станках.

4. Черновое обтачивание (за 1 или 2 установа).

5. Проточка шейки под  люнет (для нежёстких валов).

6. Сверление центрального  отверстия с его последующей  обработкой. Для этого используют: специаль-

ные однокромочные, шнековые, эжекторные свёрла с подачей СОЖ через инструмент.

7. Чистовое точение.

8. Фрезерование шпоночных  канавок (на горизонтально-фрезерном  станке или шпоночно-фрезерном полуавтомате).

9. Шлифование на кругло-шлифовальном  или бесцентрово-шлифовальном станках.

При изготовлении гладких валов из калиброванного проката с минимальным припуском на обработку ог-

раничиваются только шлифованием (без точения).