Изготовление прецизионных валов

Основные этапы и особенности изготовления прецизионных деталей рассмотрим на примере ТП изготовления вала высоко­оборотного электрошпинделя (рис. 4.18). Вал ступенчатый, на одном его конце имеется отверстие с резьбовым участком под оправку, на другом — отверстие для подвода охлаждающей жидкости. На концах вала выполнены центровые конические фас­ки, являющиеся технологическими базами для основных опера­ций. Размеры фасок в основном унифицированы. Также унифи­цированы диаметральные размеры вала под подшипники. Поса­дочные поверхности подшипниковых шеек вала обработаны по IT5 с параметром шероховатости Ra = 0,16 мкм.

Повышенные требования предъявляют к точности геометри­ческой формы указанных поверхностей, а также к точности вза­имного расположения ответственных поверхностей (см. рис. 4.18). Торцевое биение буртика для упоров внутреннего кольца под­шипников относительно оси вращения ротора должно быть не более 0,002 мм, а радиальное биение остальных наружных ци­линдрических поверхностей относительно оси А — не более 0,01 мм. Вал имеет хвостовик с лысками, к которым предъявля­ют жесткие требования на отклонение от симметричности отно­сительно оси вращения А — не более 0,02 мм.

Рис. 4.18. Вал прецизионного электрошпинделя

 

Рабочий конец ротора содержит цилиндрическое отверстие, выполненное с точностью IT5 (а у некоторых валов и 1Т4), и резьбовую часть для крепления оправки со шлифовальным кру­гом. Для обеспечения жесткого и точного крепления оправки отклонение от соосности этих поверхностей должно составлять 0,05 мм.

К цилиндрическому отверстию также предъявляют высокие требования: радиальное биение относительно опорных шеек вала 0,002 мм, отклонение от прямолинейности образующих 0,001 мм на длине 13 мм, отклонение от круглости 0,001 мм на длине 13 мм, шероховатость поверхности Ra = 0,32 мкм. Отклонение от соосности резьбовой поверхности и поверхности Б опорной шейки вала 0,05 мм на длине 13 мм. Кроме того, к валу предъяв­ляют высокие требования по дисбалансу — допустимый оста­точный дисбаланс 28 г мм.

Уникальные точностные показатели требуют особых техно­логических подходов к изготовлению такого вала. Обеспечить технические требования можно только при условии использова­ния очень качественных баз, поэтому требования к базовым фас­кам по параметрам шероховатости поверхности и точности фор­мы также высоки (Ra = 0,16 мкм).

Вал изготавливают из стали 40Х. В качестве заготовок обыч­но используют горячекатаный или калиброванный прокат. При этом правка заготовок не допускается.

Применение более точных заготовок по допускаемым откло­нениям на размеры и форму при обработке высокоточных валов связано прежде всего со стремлением уменьшить наследственный перенос этих погрешностей с заготовки на деталь. Недопустима также операция правки для уменьшения кривизны заготовки, так как возникающие при этом остаточные напряжения в детали мо­гут привести к ее короблению в процессе эксплуатации.

Указанные обстоятельства определяют применение в каче­стве заготовки при изготовлении высокоточных валов калибро­ванного прутка круглого сечения.

Высокие требования по точности и шероховатости, предъяв­ляемые к ответственным поверхностям прецизионных валов, предопределяют выбор метода подготовки технологических баз для операций финишной обработки, характера упрочнения и ста­билизации структуры материала, способа контроля размеров и взаимного расположения ответственных поверхностей роторов. Кроме того, технологию изготовления высокоточных валов от­личает также более тщательное выполнение других основных опе­раций обработки. Так, для уменьшения погрешности взаимного расположения центровых отверстий подрезку торца и зацент­ровку заготовки осуществляют на фрезерно-центровальных по­луавтоматах модели МР73.

Для фрезерования торцев и зацентровки заготовку устанав­ливают в призмы (рис. 4.19) с базированием в осевом направле­нии по упору.

Предварительное обтачивание вала выполняют на токарном станке с ЧПУ (рис. 4.20). Заготовку базируют в центрах с упо­ром в торец.

Затем предусмотрена первая термообработка — улучшение. Твердость после улучшения составляет 320...340 НВ. Последую­щие токарные и фрезерные операции не вызывают особых слож­ностей при использовании рациональных схем базирования и закрепления. По завершении указанных операций следует ста­билизирующий отпуск для снятия остаточных напряжений. На­грев валов при термической обработке проводят в подвешенном состоянии вертикально для уменьшения поводок. Рихтовка ва­лов не допускается.

Перед шлифованием применяют дополнительную обработку центровых отверстий в целях обеспечения высокой точности их формы. Поэтому в ТП предусмотрена центродоводочная операция на центрошлифовальном станке модели 3922Р.

Рис. 4.19. Схема фрезерования тор­цев и зацентровки на фрезерно­центровальном станке

 

Доводят цент­ры последовательно за два установа при базировании на центр и трехопорный люнет. В дальнейшем эти операции неоднократ­но повторяют перед выполнением последующих операций шли­фования.

Для повышения износостойкости вал подвергают цемента­ции и закалке (глубина цементируемого слоя 0,4...0,6 мм, твер­дость 52...55 HRC или азотированию (соответственно 0,35...0,4 мм и 700...900 HV). Азотирование в данном случае предпочтитель­нее, так как при этом значительно уменьшается коробление вала. Кроме того, азотированный слой обладает высоким сопротивле­нием износу, его износостойкость в 2—4 раза выше, чем после цементации. Операции цементации и закалки выполняют перед шлифованием. Азотирование осуществляют в конце ТП перед финишным шлифованием.

Рис. 4.20. Схема обтачивания наружных поверхностей вала на токар­ном станке с ЧПУ: 1 — проходной резец; 2 — канавочный резец

Для шлифования можно использовать круглошлифовальный станок модели 3E153. Однако высокие точностные параметры вала не удается получить на серийном оборудовании при ис­пользовании традиционных методов. Анализ возможности полу­чения высокой точности наружной цилиндрической поверхнос­ти показал, что должны быть особые кинематические условия шлифования. В частности, для операции круглого шлифования необходим специальный поводковый патрон (рис. 4.21), пред­назначенный для шлифования с долемикрометрической точнос­тью формы.

Особенность патрона заключается в том, что за один оборот планшайбы изделия окружная подача заготовки меняется в зави­симости от профиля центрового отверстия и наружной поверх­ности заготовки. Это обеспечивается прецизионной зубчатой парой с отношением

 

 

Рис. 4.21. Поводковый патрон

 

Амплитуда изменения окружной подачи заготовки регулируется эксцентриситетом кулачка 5 (см. рис. 4.21).

Основным элементом устройства является подшипниковый узел. На оси подшипника 4 крепится неподвижное колесо и кулачок 5. Подшипниковый узел собран в диске 2, который с помощью установочных пальцев 1 смонтирован на планшайбе станка 6. Устройство позволяет стабильно получать отклонения от круглости порядка 0,2 мкм. Предварительная аттестация за­готовки 3 и последующая настройка станка позволяют приме­нять рассматриваемую операцию только в условиях единичного производства.

Еще одной ответственной и оригинальной операцией явля­ется окончательная обработка отверстия (рис. 4.22).

Деталь при шлифовании отверстия размещают предварительно шлифованными шейками на двух призмах 6 с упором в торец. Сверху деталь прижимают упором 7 с помощью пружины 12 и гайки 4, которые расположены в прихвате 11. Призму устанав ливают ­ на основание 5 и крепят к нему винтами 8.

Рис. 4.22. Приспособление для шлифования конического отверстия вала

Такая кон­струкция позволяет быстро переналадить приспособление, заме­нив только призмы. Изменяя угол призмы в зависимости от ха­рактера отклонения от круглости базовых шеек вала, можно су­щественно уменьшить перенос указанных погрешностей на обрабатываемое отверстие.

Основание 5 крепится к плите 13 с помощью болта 10 и гайки 9. Чтобы изменить расстояние между призмами, необхо­димо ослабить гайки 9, переместить по направляющим планкам основание и затянуть гайки. Чтобы установить деталь на при­змы, надо ослабить крепление гайки 4 и откинуть прихват.

Сильфон 3 служит для передачи детали вращения от элект­родвигателя 1. Сильфон компенсирует отклонение от соосности вала электродвигателя и детали, что позволяет обработать от­верстие с высокой степенью точности относительно базовых по­верхностей (опорных шеек вала). Электродвигатель 1 устанавли­вают на плиту с помощью кронштейна 2.

Контрольная операция включает не только контроль основ­ных размеров детали, но и проверку отклонения формы, что требует больших временных затрат и высокой квалификации пер­сонала.

 Вся обработка вала происходит в особых термостатирован­ных помещениях. В ТП регламентированы не только режимы обработки, но и условия хранения и транспортировки деталей от операции к операции.

 

Контрольные вопросы

1. Какое технологическое оборудование применяют при обра-ботке корпусных деталей в условиях единичного производства?

2. Каковы основные схемы базирования при обработке высоко-точ­ных валов?

3. Назовите основные технические требования на изготовление кор­пусных деталей (прецизионных валов).

4. Каковы пути дальнейшего решения проблем технологии маши­ностроения применительно к единичному производству?

5. Назовите особенности метрологического обеспечения единич-но­го производства.

6. Дайте характеристики методов получения литых заготовок.

7.  Заготовки каких деталей получают методом ковки в тяжелом ма­шиностроении?

8. Каковы особенности назначения припусков сварных заготовок для плоских и цилиндрических поверхностей?

9. Назовите область применения разметочных операций.

10. Назовите разметочные и контрольно-измерительные инстру-мен­ты, используемые при плоскостной и пространственной разметке.

1. Каковы основные правила установки и закрепления заготовок типа валов, корпусов и плит?

12. Каковы основные приемы выверки заготовок типа валов, кор­пусов и плит?

13. Назовите основные обрабатываемые поверхности станин рабо­чих клетей прокатных станов закрытого типа и технические условия, предъявляемые к ним.

14. Напишите состав маршрута и нарисуйте эскизы некоторых опе­раций механической обработки станин закрытого типа.

15. Опишите и дайте эскизы механической обработки поверх-ностей разъема станин на различных типах металлорежущих станков.

16. Как и на каком технологическом оборудовании обрабатывают направляющие проема станин?

17. Охарактеризуйте совместную и раздельную механическую обра­ботку торцев лап и верха парных станин.