Раздел 5. Технология обработки типовых деталей машин

Разработка технологических процессов (ТП) входит основным разделом в технологическую подготовку производства (ТПП) и выполняется на основе принципов ЕСТПП. ГОСТ 14301.83 этой системы устанавливает виды и общие правила разработки ТП, исходную информацию и перечень основных задач на этапах их разработки.

ТП разрабатывается на основе имеющегося типового или группового ТП, которые выбираются по технологическому классификатору в зависимости от конструктивных особенностей детали, типа производства и дополнительных требований по качеству. Ниже приводятся сведения по разработке ТП на основные типовые детали машиностроения.

Тема 8. Технологические процессы обработки типовых деталей машин

8.1. Технология обработки валов

К валам относятся детали типа тел вращения, имеющие длину, значительно превосходящую диаметр. Объединяющим признаком является то, что они образованы наружными и внутренними цилиндрическими, коническими и др. поверхностями и торцевыми поверхностями, имеющими общую ось вращения. При обработке таких деталей, кроме общей задачи получения заданных размеров, стоит технологическая задача обеспечения соосности поверхностей и точного расположения торцов относительно оси детали.

Назначение. Валы используют для передачи крутящего момента или в качестве опор. Они бывают бесступенчатые и ступенчатые, цельные и пустотелые, гладкие и шлицевые, валы-шестерни и комбинированные валы в различных сочетаниях.

Валы в основном изготавливаются из конструкционных и легированных сталей, которые должны иметь высокую прочность, хорошую обрабатываемость, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а для повышения износостойкости должны хорошо воспринимать термическую обработку. Этим требованиям отвечают стали 35, 40, 45, 40Х. 50Х. 40Г2 и др. Валы из среднеуглеродистых сталей подвергают термической обработке до твердости НВ 230-260. Шейки валов из низкоуглеродистых сталей для повышения износостойкости подвергают цементации с последующей термической обработкой до твердости HRC 50…60.

Заготовки для валов. В единичном и мелкосерийном производстве заготовки валов с небольшим числом ступеней и незначительной разницей их диаметров получают отрезкой от круглого горячекатаного или холоднотянутого проката. Если разница между диаметрами ступеней велика и масса заготовки превышает 15 кг, целесообразно применять свободную ковку для уменьшения расхода материала. В производстве с достаточно большим масштабом выпуска, а также при изготовлении валов сложной конфигурации со ступенями, значительно различающимися по диаметру, заготовки целесообразно получать методами пластического деформирования (ковка, штамповка, периодический прокат, обжатие на ротационно-ковочных машинах, электровысадка). Эти методы обеспечивают получение заготовок, близких по форме и размерам к готовым деталям, что повышает производительность механической обработки и коэффициент использования металла.

Вопросы базирования. Конструкторскими базами большинства валов являются поверхности опорных шеек. Однако их использование в качестве технологических баз для обработки наружных поверхностей затруднительно, особенно при условии сохранения единства баз. Поэтому при выполнении большинства основных операций в качестве вспомогательных технологических баз используют поверхности центровых отверстий. Обеспечение точности линейных (осевых) размеров связано с использованием в качестве технологической базы левого торца вала, при этом применение плавающего переднего центра исключает погрешность установки для осевых размеров.

Технологический процесс. На начальном этапе формируются технологические базы (торцы вала, центровые гнезда). В единичном производстве они формируются последовательно на универсальных токарных станках. В серийном производстве обработку ведут параллельно-последовательно на двусторонних фрезерно-центровальных станках (МР 179, 2931, 2932) с установкой заготовки по наружному диаметру (черновая база) в призмы. В крупномасштабном производстве применяют фрезерно-центровальные станки барабанного типа (МР77, МР?*).

Далее обработка осуществляется при установке вала в центра. Снятие основного припуска разделяется на черновую (с одной и другой стороны) и чистовую (с одной и другой стороны) обработки. Это разделение необходимо для уменьшения влияния на точностные характеристики т.н. «технологической наследственности», связанной с перераспределением внутренних напряжений в материале детали.

На следующем этапе осуществляется весь комплекс дополнительных работ, связанных с использованием лезвийного инструмента (обработка шлицев и шпоночных пазов, канавок, резьб и т.д.).

Далее осуществляется (если необходимо) термическая обработка. Это может быть общая закалка, поверхностная закалка шеек, цементация с последующей закалкой и т.п. После термической обработки требования к точности центровых отверстий (установочных баз) повышаются. Шлифование центровых отверстий на специальных станках (3922Е, 3922Р, МВ-119 и др.) обеспечивает отклонение от круглости 1-3 мкм, от прямолинейности 4-6 мкм, параметр шероховатости поверхности до Ra=0,063 мкм.

Шлифование валов осуществляется на круглошлифовальных и бесцентрово-шлифовальных станках. Оно подразделяется на продольное и врезное (в т.ч. силовое). Шейки с малыми параметрами шероховатости после шлифования подвергают суперфинишированию, обработке абразивной лентой, алмазному выглаживанию, а также обкатыванию роликами (для незакаленных заготовок).

8.2. Технология обработки фланцев, втулок и т. п.

У деталей типа фланцев и дисков наибольший диаметр обычно больше длины, а у деталей типа втулок, цилиндров диаметр и длина примерно одинаковы. Объединяющим признаком этих деталей является то, что они образованы в основном наружными и внутренними цилиндрическими (коническими и т.д.) поверхностями, а также торцевыми поверхностями, имеющими общую ось вращения.

Назначение. Фланцы (основной представитель этой группы деталей) служат для ограничения осевого перемещения валов, расположенных в подшипниках в изделии (машине), за счет создания определенного натяга или гарантированного осевого зазора между торцом наружного кольца подшипника и торцом фланца. Фланцы также выполняют роль крышек отверстий под валы, создавая необходимое уплотнение. Общим является их крепление к корпусу винтами. Втулки, как правило, служат направляющими элементами, другие – имеют разнообразное применение.

Заготовки для фланцев. В зависимости от серийности заготовками являются чугунные (СЧ15) и стальные (сталь 30, 45) отливки, поковки, штамповки, а также отрезанные от сортового круглого проката диски. Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение заготовок с минимальными припусками, причем некоторые поверхности при этом не требуют дальнейшей механической обработки (например, отверстия под крепежные болты).

Вопросы базирования. Конструкторскими базами таких деталей являются посадочная цилиндрическая поверхность по размеру отверстия в корпусе и малый торец центрирующего пояска. В качестве технологических баз следует использовать эти же поверхности. Использование в качестве технологических баз других поверхностей может быть оправдано в том случае, когда основные поверхности не могут быть взяты в качестве технологических баз по разным причинам (трудность установки и закрепления, малые габаритные размеры и т.д.). При обработке основных баз в качестве черновых, как правило, выбирается наружный диаметр заготовки и один из торцов.

Технологический процесс. На начальном этапе формируются основные технологические базы. В единичном производстве они обрабатываются последовательно на универсальных токарных станках. В серийном производстве обработку ведут на токарных станках с ЧПУ (16К20Ф3) или на многошпиндельных вертикальных токарных полуавтоматах (1К282, 1К284) с установкой заготовки по наружному диаметру.

Далее обработка осуществляется при установке на основные бзы. Снятие основного припуска разделяется на черновую (с одной и другой стороны) и чистовую (с одной и другой стороны) обработки. Это разделение необходимо для уменьшения влияния на точностные характеристики т.н. «технологической наследственности», связанной с перераспределением внутренних напряжений в материале детали.

На следующем этапе осуществляется весь комплекс дополнительных работ, связанных с использованием лезвийного инструмента (обработка крепежных отверстий, канавок, резьб, фрезерование лысок и т.д.).

Далее осуществляется (если необходимо) термическая обработка. Это может быть общая закалка, поверхностная закалка , цементация с последующей закалкой и т.п. После термической обработки в зависимости от технических требований поверхности цилиндрического пояска и тоцов могут подвергаться шлифованию.

8.3. Технология обработки зубчатых колес

В зависимости от формы кривой профиля зуба различают три вида зацеплений зубчатых передач: циклоидное, зацепление Новикова и эвольвентное. Широкое распространение получило эвольвентное зацепление, т.к. оно в наибольшей степени удовлетворяет требованиям по плавности и точности, а также технологичности. Зубчатые колеса в свою очередь подразделяются на цилиндрические (прямозубые, косозубые и шевронные с внешним и внутренним зацеплением), конические (с прямыми, косыми и круговыми зубьями) и червячные (кинематические и силовые).

Назначение. Зубчатые зацепления применяют для передачи вращательного движения и крутящего момента между параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями валов, а также для преобразования вращательного движения в поступательное. По ГОСТ 1643-81 установлено 12 степеней точности зубчатых колес (в порядке убывания точности от 1 до 12). Различают два вида передач: силовые и кинематические. К первым предъявляются повышенные требования по износостойкости, плавности и бесшумности работы, ко вторым – по нормам точности.

Заготовки для зубчатых колес. В зависимости от служебного назначения зубчатые колеса изготавливают из углеродистых и легированных сталей, реже – из чугуна, пластических масс и бронзы. В крупносерийном и массовом производстве заготовки получают штамповкой в подкладных штампах, штамповкой в закрепленных штампах, а также литьем в песчаные и металлические формы.

В мелкомасштабном производстве применяют менее совершенные методы: свободная ковка на молотах, горячая штамповка, поперечно-клиновая прокатка, горячая высадка, отрезка от круглого проката, методы порошковой металлургии.

Вопросы базирования. Конструкторскими базами для большинства зубчатых колес являются посадочное отверстие и торец. В целях обеспечения принципа совмещения баз их целесообразно выбирать и в качестве основных технологических баз. Черновыми базами при их формировании должны служить, как правило, наружный диаметр заготовки и один из торцов. На этапе окончательной обработки посадочного отверстия базирование осуществляется по сформированному зубчатому венцу, а его окончательная обработка снова по посадочному отверстию.

Технологический процесс. На начальном этапе формируются основные технологические базы. В единичном производстве они обрабатываются последовательно на универсальных токарных станках. В серийном производстве обработку ведут на токарных станках с ЧПУ (16К20Ф3) или на многошпиндельных вертикальных токарных полуавтоматах (1К282, 1К284) с установкой заготовки по наружному диаметру.

Далее обработка осуществляется при установке на основные бзы. Снятие основного припуска разделяется на черновую (с одной и другой стороны) и чистовую (с одной и другой стороны) обработки. Это разделение необходимо для уменьшения влияния на точностные характеристики т.н. «технологической наследственности», связанной с перераспределением внутренних напряжений в материале детали.

На следующем этапе осуществляется весь комплекс дополнительных работ, связанных с использованием лезвийного инструмента (обработка шпоночных пазов, шлицев, канавок, резьб, фрезерование лысок и т.д.).

Далее формируется лезвийным инструментом зубчатый венец (черновое и чистовое зубофрезерование, зубодолбление, зубозакругление, шевингование). В единичном производстве зубчатый венец может быть сформирован методом копирования на горизонтально- или вертикально-фрезерных станках дисковыми или пальцевыми модульными фрезами.

Перед термообработкой (если она требуется) шлифуется наружный диаметр венца и торец (противоположный основной базе), а после ТО – шлифуются основные базы. Колесо устанавливается на восстановленные основные базы и производится окончательная обработка (шлифование) зубчатого венца. Зубошлифование может быть заменено зубохонингованием.

8.4. Технология обработки корпусных деталей

Корпусные детали машин в общем случае можно разделить по группам: плоскостн6ые, коробчатой формы, с гладкими внутренними цилиндрическими поверхностями, сложной пространственной геометрической формы, с направляющими поверхностями, типа кронштейнов, угольников, стоек и крышек. Детали, принадлежащие каждой из групп, имеют общность служебного назначения, что означает наличие совокупности идентичных по конструкции поверхностей и аналогичное по форме конструктивное исполнение. Все это определяет особенности технологических решений, обеспечивающих достижение требуемых параметров точности при изготовлении корпусов каждой из групп.

Назначение. Корпусные детали машин представляют собой базовые детали, на которых устанавливают различные присоединяемые детали и сборочные единицы, точность относительного положения которых должна обеспечиваться как в статике, так и в процессе работы машин под нагрузкой. В соответствии с этим корпусные детали должны иметь требуемую точность, обладать необходимыми параметрами жесткости и виброустойчивости, что обеспечивает постоянство относительного положения соединяемых деталей и узлов, правильность работы механизмов и отсутствие вибраций.

Марку материала для изготовления корпусных деталей выбирают исходя из служебного назначения и условий работы в машине. Главным образом применяют серый чугун, реже – углеродистые стали, ковкий чугун, легированные стали и сплавы цветных металлов.

Заготовки корпусных деталей. Преобладающими методами изготовления заготовок из чугуна являются литье в песчаные формы, в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям. Для ответственных отливок сложной конфигурации применяют стержневое литье. Стальные заготовки могут изготавливаться из проката, а также с применением сварки. Полученные заготовки подвергают старению: естественному или искусственному (термическому, вибростарению). Перед механической обработкой резанием заготовки подвергаются пескоструйной или дробеструйной очистке в специальных камерах, а затем производится грунтовка и окраска необрабатываемых поверхностей.

Вопросы базирования. При выборе технологических баз в первую очередь должны учитываться принципы совмещения баз и сохранения базы. С учетом этого в качестве технологических баз выбираются либо плоские поверхности, либо плоскость и два классных (высокой точности и качества) отверстия. Опорная плоскость должна быть наибольшей из возможных по площади и такой, с установкой на которую было возможно обработать максимальное число поверхностей корпусной детали. При обработке основных баз в качестве черновых используются наиболее качественные и надежные поверхности заготовки.

Технологический процесс. Для различных по конструкции и размерам корпусных деталей ТП механической обработки включает в себя следующие основные этапы:

1. Предварительная и чистовая обработка плоских поверхностей или плоскости и двух классных отверстий, используемых в дальнейшем в качестве технологических баз детали.

2. Обработка остальных наружных поверхностей детали.

3. Предварительная и чистовая обработка главных отверстий.

4. Обработка мелких и резьбовых отверстий.

5. Отделочная обработка плоских поверхностей и главных отверстий детали.

6. Контроль точности детали.

В зависимости от технических требований между этапами черновой и чистовой обработки детали может быть предусмотрено естественное или искусственное старение для снятия внутренних напряжений. Приведенные выше этапы являются общими, и построение ТП механической обработки различных корпусных деталей обычно не выходит за их рамки.