Лов. Заготовки и анализ технологичности валов

Материалы и технические условия на изготовление валов. Ма-

териалы деталей класса валов должны обеспечивать необходимые эксплуатационные характеристики и обладать хорошей обрабатывае- мостью. Поэтому валы обычно изготовляют из конструкционных уг- леродистых и легированных сталей, удовлетворяющим требованиям высокой прочности, малой чувствительности к концентрации напря- жений. Для валов, работающих при циклических нагрузках (особенно в подшипниках скольжения), требуется обеспечить высокую вязкость сердцевины и высокую твердость основных шеек. Поэтому для них используют низкоуглеродистые цементируемые стали.

Шлицевые валы с целью повышения долговечности выполняют из высоколегированных сталей, чтобы обеспечить необходимую твердость рабочих поверхностей и сердцевины, высокую прочность, ударную вязкость и износостойкость, минимальное коробление при закалке. Так, шлицевые валы изготовляют из сталей 18ХГТ или 20ХН3А с последующей термической обработкой до твердости HRC 56¼62.

Для повышения обрабатываемости исходные заготовки валов подвергают нормализации или термообработку проводят после чер- новой обработки. Для повышения износостойкости и прочности от-

дельные поверхности подвергают закалке ТВЧ, цементации, цианиро-

вание с последующей закалкой и отпуском.

Коленчатые и распределительные валы сейчас часто изготовля- ют из специальных высокопрочных чугунов с глобулярным графитом из ковких и модифицированных чугунов. Структура литого вала спо- собствует лучшему гашению вибраций при работе, заготовки имеют меньшую начальную неуравновешенность. Такие валы износостойки и менее чувствительны к концентрации напряжений.

Несмотря на разнообразие форм и размеров валов, при их изго- товлении возникают, в общем, одинаковые технологические задачи, решение которых заключается в применении оптимальных последо- вательности и методов обработки, схем установки валов, оборудова- ния и технологической оснастки. Почти все валы обрабатываются по типовым технологическим процессам. Валы изготовляют по техниче- ской документации, утвержденной в установленном порядке.

У валов наиболее ответственными являются посадочные по- верхности под подшипники качения, шестерни, муфты, рабочие кромки манжет уплотнений.

Шероховатость рабочих поверхностей вала должна быть не бо- лее: поверхностей под рабочие кромки манжет уплотнений, под под-

шипники качения, торцов и уступов - Rz 10, центрирующих поверхно-

стей шлицев - * a 1,**, боковых поверхностей шлицев с подвижным соединением - Ra *,5, а с неподвижным соединением - Ra 5, нецентри- рующих цилиндрических поверхностей шлицев Rz *0.

По техническим условиям на изготовление валов диаметры по-

садочных шеек выдерживают по 6¼*, а в отдельных случаях и по 5 квалитету точности. Овальность и конусообразность шеек не превы- шает 0,2¼0,4 допуска на их диаметр. Биение посадочных шеек отно- сительно базирующих не должно превышать 10¼20 мкм. Осевое биение опорных торцов или уступов не должно быть больше 10 мкм на наибольшем радиусе. Непараллельность шпоночных канавок или шлицев оси вала не должна превышать *,1 мкм/мм, допуски на длину ступеней 50¼*00 мкм, допустимая искривленность оси вала 0,03¼0,05 мкм/мм.

При центрировании шлицев по наружному или внутреннему диаметрам допуски на эти диаметры устанавливаются по 6 квалитету точности. Наружную резьбу на валах выполняют наиболее часто с полем допуска по 6 квалитету точности.

Для уменьшения дисбаланса массы вала относительно оси вра-

щения все его поверхности (основные и свободные) приходиться об- рабатывать, чтобы их оси вращения совпали с осью вращения вала. При этом желательно все поверхности вала обрабатывать в одну ус- тановку. На точность сборки кинематических элементов (шестерен, шкивов, и др.) и на вибростойкость оказывает влияние перпендику- лярность торцевых поверхностей вала к оси отверстия. Поэтому целе- сообразно все торцевые поверхности вала также обрабатывать в одну установку и притом за одну установку с поверхностями вращения ва- ла.

Заготовки валов. Трудоемкость, себестоимость и производи- тельность процесса изготовления валов и их качество во многом оп- ределяются методом получения заготовок. Причем, с увеличением объема выпуска продукции особое значение приобретает эффектив- ность использования металла, т.к. при этом сокращается трудоем- кость механической обработки. Поэтому в крупносерийном и массо- вом производстве преобладают методы получения заготовок с коэф- фициентом использования металла от 0,7 и выше, доходящих в от- дельных случаях до 0,**. Штучную заготовку из прутка уже целесо- образно заменять штамповкой, если коэффициент использования ме- талла увеличивается не меньше чем на 5%, учитывая, конечно, эко- номическую целесообразность других факторов.

При механической обработке валов на настроенных и автомати- зированных станках приобретает большое значение и точность заго-

товки. Поэтому можно рекомендовать:

- заготовки из горячекатаного или холоднотянутого проката применят для изготовления гладких валов и ступенчатых валов с не- большим числом ступеней и малыми перепадами диаметров (до 5 мм) или ступенчатых валов диаметром до 125 мм и длинной до 320 мм - в единичном и мелкосерийном производстве. При получении из таких заготовок валов с большим перепадом диаметров ступеней значи- тельно (до 0,4) снижается коэффициент использования металла.

- заготовки валов сложной конфигурации с большой разницей между диаметрами ступеней в единичном производстве получают свободной ковкой на ковочных гидравлических прессах или на паро- воздушных, пневматических, рессорно-пружинных молотах, в серий- ном и массовом производстве - штамповкой на прессах, молотах, ГКМ, ротационным обжатием на специальных машинах, поперечно- винтовой прокаткой на многовалковых станах.

При получении свободной ковкой мелких и средних поковок

для повышения точности и производительности (рентабельная партия больше 200 шт.) используют подкладные штампы.

Объемную штамповку выполняют в открытых, закрытых штам- пах и штампах для выдавливания. Горячим выдавливанием получают

заготовки валов со ступенями, убывающими по диметру:

-на гидравлических и кривошипных горячештамповочных

прессах при длине вала до 3*0 мм и годовом объеме выпуска больше

5*0 шт.,

-на ГКМ при длине больше 300 мм и объеме выпуска больше

5000 шт.

При получении заготовок этим методом коэффициент металла достигает 0,7. Особенно эффективен этот метод для деталей сложной конфигурации.

Прогрессивным методом изготовления заготовок является штамповка на ротационно-обжимных и радиально-обжимных ма-

шинах, на которых получают осесимметричные изделия с цилиндри- ческими и коническими поверхностями диаметром меньше 320 мм в горячем или холодном состоянии. Методы целесообразны при объеме больше 3000 шт. Заготовки по форме и размерам близки к готовой де- тали. Погрешность диаметра размера при штамповке в холодном со-

стоянии равна от0,02 до*,2 мм, Ra  до 0,0*; погрешность при

штамповке в горячем состоянии от0,05 до0,4 мм; коэффициент

использования металла до 0,8*. Методы высокопроизводительны. Так, валы с 9 ступенями диаметром 5*¼95 мм, длиной порядка 800 мм изготовляют за 2 мин.

В крупносерийном массовом производстве (автомобили, тракто- ры) применяют горячекатаные круглые периодические профили, по- лучаемые поперечно-винтовой прокаткой. Этот метод характеризует- ся большой производительность и точностью - предельные отклоне- ния диаметра профилей от +1,5 до -1,0мм.

Заготовки коленчатых, распределительных и некоторых других специальных валов получают отливкой в оболочковые формы. В этом случае коэффициент использования металла выше, чем при штампов- ке, т.к. у отливок выше точность, меньше припуски на обработку, при литье образуются внутренние полости. Так, заготовка литого колен-

чатого вала грузового автомобиля на 9 кг легче, чем штампованного.

Заготовки валов контролируют по размерам и твердости. Для особо ответственных деталей предусмотрена индивидуальная приека заготовок по механическим свойствам. Перед контролем твердости

заготовки подвергают обычно термообработке (нормализации), очи- стке, наружные дефекты зачищают, если глубина их залегания не превышает половины припуска на сторону. Важной операцией, обес- печивающей обработку с равномерным припуском, является правка, которую проводят в горячем состоянии в штампах, на прессах или в холодном состоянии. Допустимая непрямолинейность заготовки по- сле правки 0,*5¼0,15 мм/м.

Метод получения заготовки вала выбирают, сравнивая суммар- ные трудоемкости и себестоимости процессов изготовления заготовок и черновой механической обработки по сопоставимым вариантам.

Анализ технологичности валов. Разработка технологического процесса изготовления вала начинается с изучения его служебного назначения в машине и всех требований ТУ, которым он должен удовлетворять. Далее, определив тип производства, приступают к анализу технологичности детали.

Показателями, характеризующими технологичность конструк- ции валов, являются: высокая жесткость, рациональность выбора ма- териала, простота геометрических форм, возможность выбора опти- мальных баз для обработки, правильное нанесение размеров, обосно- ванные требования по точности и качеству поверхностного слоя.

Жесткость - важнейший показатель технологичности. При вы- сокой жесткости вала применяют простые схемы установки (напри- мер, в центрах), высокие режимы обработки, многоинструментные наладки. Обработка выполняется за минимальное количество перехо- дов, повышается производительность и точность, производство таких валов легко автоматизируется. В случае малой жесткости применяет- ся определенное чередование предварительной и окончательной об- работки отдельных поверхностей при определенных способах закреп- ления заготовки. Так, при токарной обработке коленчатых валов при- меняют специальные станки с центральным приводом, при шлифова- нии шеек вала - люнеты (для чего необходимо, например, дополни- тельно обрабатывать различные пояски под люнеты) и т.д.

Геометрическая форма детали, как правило, определяет возмож- ность применения соответствующих методов обработки. Гладкий вал постоянного сечения наиболее технологичен: при крупносерийном массовом производстве его обрабатывают наиболее производитель- ным методом - шлифованием с продольной подачей на бесцентрово- шлифовальных станках. Валы с небольшими перепадами возрастающих диаметров ступеней, длины которых равны или кратны, удобно

обрабатывать на многорезцовых станках.

При изготовлении валов на токарных станках с ПУ необходимо, чтобы элементы их (особенно переходные участки, канавки и т.д.) имели стандартные формы и размеры, что упрощает составление про- граммы и уменьшает количество необходимого инструмента.

В случае шпоночного соединения валов целесообразнее исполь- зовать сегментные шпонки, т.к. процесс изготовления призматиче- ской шпонки более трудоемок, чем сегментной. Операция обработки паза под призматическую шпонку малопроизводительна (концевая фреза) и при сборке зачастую требуется пригонка.

Основными преимуществами шлицевых соединений по сравне- нию со шпоночными, кроме возможности передачи больших крутя- щихся моментов, являются высокая точность центрирования и на- дежность их. Применяют следующие виды профилей шлицевых со- единений: эвольвентный, прямобочный, треугольный.

Наиболее технологичны в изготовлении эвольвентные шлицы, которые могут формироваться также как и зубчатые колеса. Эволь- вентные шлицы обладают большой равнопрочностью, имеют мень- ший коэффициент концентрации напряжений, чем прямопобочные, и используются в сильно нагруженных и ответственных передачах.

В последние годы находят применение специальные виды бес- шлицевых соединений. Овальный, трех- четырехгранный профили обеспечивают высокую точность, большую прочность и долговеч- ность, передают большие крутящие моменты при малых размерах,

однако, для их изготовления требуется специальное оборудование.

Эффективность механической обработки в значительной степе- ни определяется точностью заготовок. Причем, имеется взаимосвязь между требованиями по точности заготовок и применяемыми мето- дами обработки. Так, для заготовок валов, обрабатываемых в автома- тизированном производстве, несоосность ступеней допускается не больше ¼ допуска на диаметр большей ступени. Это связано не толь- ко с копированием погрешностей при выполнении переходов, но и с желанием обеспечить более равномерную глубину резания и тем са- мым повысить долговечность режущего инструмента. Поэтому для токарных станков с ПУ в ряде случаев вместо поковок используют за- готовки из проката. В этом случае снижается коэффициент использо- вания металла, но зато получается выигрыш в результате повышения надежности работы технологической системы.

Эффективность обработки (точность, производительность и т.д.)

существенно зависит от выбранных способов установки деталей. Лучшие результаты получаются при обработке точных поверхностей с одного установа и при использовании в качестве баз точно обрабо- танных поверхностей. Наиболее часто валы устанавливают в центрах, используя при этом центровые отверстия, фаски или обратные цен- тры. Эти базы просты и удобны не только при изготовлении, но и при ремонте деталей. При выполнении операции погрешности центровых отверстий копируются на обработанной поверхности, поэтому, если по точности требуется, их перед финишной обработкой шлифуют на специальных станках или раскатывают центрами на токарных стан- ках.

При выполнении ряда операций в качестве баз используют на- ружные цилиндрические поверхности и торцы вала или торцовые по- верхности ступеней вала. Так при обработке торцов, центровых и ра- диальных отверстий, фрезеровании шпоночных пазов вал устанавли- вают в призмы (простые или самоцентрирующие), крепят в патронах. Точно обработанные шейки используют в качестве базы при обработ- ке центрального отверстия, эксцентрично расположенных шеек и т.д. Вал при этом часто крепят в точных патронах с упругими элемента- ми.

На токарных, шлифовальных операциях в единичном и серий- ном производстве применяют хомутики и поводковые патроны. При работе с хомутиками из-за того, что усилие, действующее на вал, пе- ременно по направлению, образуется погрешность формы. Большую

точность можно получить при использовании поводковых патронов.

Для уменьшения деформации нежестких валов (коленчатых, распределительных и др.) применяют специальные станки с цен- тральным приводом или с приводом двух концов вала.