Технология обработки валов

Технические требования и заготовки для валов

Конструктивные разновидности валов

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВАЛОВ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

ЛЕКЦИЯ № 21

РАЗДЕЛ V. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТИПОВЫХ

Вал – это деталь имеющая форму тела вращения, у которой длина всегда больше диаметра. Все существующие в машиностроении валы по конструкции делятся на пять групп (рис. 21.1).

а б в

г д

Рис. 21.1. Конструктивные разновидности валов: а – гладкий; б − ступенчатый;

в – вал с фланцами; г – пустотелый вал; д – гибкий вал.

Валы с фланцами применяют в гидротурбинах и выполняют полыми. Кроме перечисленных, существуют валы коленчатые и кулачковые, которые составляют особую группу валов.

На шейках ступенчатых валов могут быть шпоночные канавки, резьба, шлицы. При переходе от одной ступени вала к другой предусматриваются переходные канавки.

Валы бывают жесткими и не жесткими. Жесткими считаются валы, у которых отношение длины к диаметру не превышает 15 (l/d ≤ 15). Не жесткие валы имеют указанное отношение > 15, т. е. l/d > 15.

Валы бывают легкими и тяжелыми. Легкие валы – это валы диаметром до 200 мм и весом до одной тонны. Тяжелыми считаются валы диаметром более 200 мм и весом более одной тонны.

Изготавливают валы, чаще всего, из сталей 40 и 45. Ответственные валы изготавливают из легированных сталей 40Х, 18ХГТ и других. Для изготовления специальных валов (прокатные валки, шпиндели крупных металлорежущих станков) используют перлитные ковкие или модифицированные чугуны.

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 HRC 50 … 60.

Диаметры посадочных мест валов выполняют по 7 … 8 квалитетам, а иногда и по 6 –му квалитету. Овальность и конусообразность шеек вала не должна превышать 0,2 … 0,4 допуска на их диаметр. Биение посадочных мест (шеек) относительно базовых не должно превышать 0,01 … 0,02 мм. Отклонение от параллельности шпоночных пазов или шлицев не должно превышать 0,1 мкм на 1 мм длины. Допуски на длину ступеней должны составлять от 50 до 200 мкм, в зависимости от требуемой точности длин ступеней вала. Допустимая искривленность оси вала 0,03 … 0,05 мм/м. Шероховатость посадочных шеек вала должна быть не более Rа = 1,0 … 0,125 мкм, торцов и уступов – Rа = 10 … 3,2 мкм.

При изготовлении валов исходные заготовки получают либо путем пластического деформирования (ковка, штамповка, обжатие на ротационно-ковочных машинах, электровысадка, поперечно-винтовая прокатка), либо путем резки проката. Заготовки для ступенчатых валов получают штамповкой в подкладных штампах или в массовом производстве поперечно-винтовой прокаткой. Для валов с фланцем заготовки получают штамповкой на горизонтально-ковочной машине (ГКМ).

При выборе способа получения заготовки большое значение имеет эффективность использования материала, которая характеризуется коэффициентом использования материала (К_м), определяемого отношением массы готовой детали (G_д) к массе заготовки (G_з). Расчет ведется по формуле

. (21.1)

Для серийного и массового производств коэффициент использования материала (К_м) составляет 0,75 … 0,95.

В единичном и мелкосерийном производствах для изготовления валов с небольшим перепадом диаметральных размеров используют горячекатанный нормальный прокат, который разрезают на штучные заготовки для дальнейшей механической обработки. При существенной разнице диаметральных размеров и большом количестве ступеней применяют заготовки, кованные на вертикальных радиально-ковочных машинах (ротационная ковка).

В серийном производстве широкое распространение получила горячая объемная штамповка в открытых штампах (облойная штамповка), а в крупносерийном и массовом производствах – в закрытых штампах (безоблойная штамповка). Для повышения точности штампованных заготовок применяют калибровку (чеканку) заготовок.

Для тяжелых валов (массой более 1 тонны) заготовки поучают из слитка свободной ковкой.

Технология обработки зависит от конфигурации, размеров и жесткости валов, а также от заданной программы выпуска. Различают технологию изготовления ступенчатых валов длиной меньше 120 мм и больше 120 мм.

Ступенчатые валы длиной менее 120 мм, чаще всего, обрабатывают на револьверных станках с одной установки (рис. 21.2).

L

а в

г

б

5 1 2

3 4

д

Рис. 21.2. Последовательность обработки ступенчатого вала длиной менее 120 мм

на токарно-револьверном станке

Заготовка крепится в патроне станка с вылетом немного более 120 мм и поджимается центром (рис. 21.2, а). На первом этапе ведется одновременная обработка ступеней вала 1, 2, 3 (рис. 21.2, б). Следующим этапом обрабатывается ступень 4. На заключительном этапе обработки формируется последняя 5-я ступень вала, и он отрезается в размер L.

Штампованные или отрезанные из стандартного проката прутков заготовки валов длиной более 120 мм обрабатываются, в общем виде, в следующей последовательности.

1. Поочередное или одновременное фрезерование торцов.

2. Центрование вала поочередно или одновременно с двух сторон.

3. Предварительное обтачивание шеек вала.

4. чистовое точение шеек вала.

5. Фрезерование шпоночных пазов.

6. предварительное шлифование шеек вала.

7. Сверление отверстий (если они предусматриваются).

8. Нарезание резьб.

9. Нарезание шлицев.

10. Термическая обработка вала.

11. Окончательное шлифование.

При обработке не жестких валов в технологический процесс включаются дополнительные операции шлифования шеек вала под люнет.

Подрезание торцов и центрование. Первые технологические переходы при изготовление ступенчатых валов – подготовка технологических баз. В зависимости от масштаба производства валов эти переходы можно выполнять на различном оборудовании.

В серийном производстве обработку ведут на фрезерно-центровальных полуавтоматах с установкой заготовки по наружному диаметру в призмы и базированием в осевом направлении по упору. Подрезку торцов ведут на продольно-фрезерных или горизонтально-фрезерных станках, а центрование – на одностороннем или двустороннем центровальном станке.

В массовом производстве для фрезерования торцов и центрования применяют станки барабанного типа. В единичном производстве подрезку торцов и центрование ведут на универсальных токарных станках.

Обтачивание валов, в зависимости от программы выпуска, выполняют на обычных токарных станках с программным управлением или на станках, оснащенных гидрокопировальным суппортом, на копировальных станках, а также на станках с многорезцовыми головками. Обтачивание на станках с многорезцовыми головками повышает производительность по сравнению с обычной токарной обработкой за счет совмещения переходов и автоматической настройки измерений операционных размеров.

Схема обтачивания ступенчатого вала показана на рис. 21.3.

При такой схеме каждая ступень обтачивается одним резцом, а продольный ход суппорта определяется длиной наибольшей ступени, обтачиваемой резцом 1. Резцы 2 и 3 совершают вспомогательный ход. Если налаживать длину хода резца по наименьшей ступене вала, то для обработки других ступеней необходимо по несколько резцов.

L₁

L₂

L₃

Z

Рис. 21.3. Схема обтачивания вала

Если ступенчатый вал изготавливается из проката, то при точении ступени с меньшим диаметром возможны недопустимо большие глубины резания. В этом случае применяют метод деления припуска, т. е. весь припуск Z на обработку резцами 1, 2, 3 снимается по частям Z₁, Z₂, Z₃.

Обработка ступенчатых валов с применением многорезцовых головок требует длительной их наладки, поэтому данный метод обработки применяется в серийном и массовом производствах.

При обработке ступенчатых валов широко используют одношпиндельные копировальные полуавтоматы. Схема обработки на копировальном полуавтомате показана на рис. 21.4.

Рис. 21.4. Схема обработки ступенчатого вала по копиру

1 – щуп; 2 – копир; 3 − барабан

Обработка на копировальных полуавтоматах имеет ряд преимуществ перед обработкой многорезцовыми головками.

время для технологической наладки средней сложности составляет 30 … 35 мин, что в 2 … 3 раза меньше времени наладки станка с многорезцовой головкой;

при чистовом точении обеспечивается точность по 9-му квалитету, а при обработке многорезцовой головкой – 11-й квалитет;

обеспечивается малая величина упругих сжатий, так как при продольном точении в работе участвует только один резец;

повышается качество обработанной поверхности (отсутствуют уступы, характерные при многорезцовой обработке);

обработку можно вести на более высоких скоростях резания, так как при многорезцовой обработке скорость существенно снижается для увеличения стойкости резцов до 3 … 4 часов.

Копировальные полуавтоматы применяют в основном в серийном производстве, где они повышают производительность обработки по сравнению с обычными токарными станками в 2 и более раза. При обработке валов с числом ступеней более четырех, копировальные полуавтоматы эффективно используются при размере партии обрабатываемых заготовок 10 … 15 штук.

В массовом и крупносерийном производствах широко используются многошпиндельные многорезцовые полуавтоматы. При изготовлении мелких валов длиной 150 … 200 мм применяют токарные автоматы.

В единичном производстве весьма эффективно применение токарных станков с гидросуппортами, а также станков с программным управлением.

Нарезание шпоночных пазов зависит от их конструкции. Если шпоночный паз сквозной, то его нарезают дисковой фрезой, а если паз глухой, то – концевой (пальцевой) фрезой. Базируют валы для нарезания шпоночных пазов либо в центрах, либо наружной поверхностью вала на призмы приспособления. Обработка в центрах обеспечивает более высокую точность параллельности шпоночного паза относительно оси вала. Шпоночные пазы обрабатывают на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках. В серийном и массовом производствах для обработки глухих шпоночных пазов применяют шпоночно-фрезерные полуавтоматы, работающие «маятниковым» методом. Двухзубая концевая фреза за один рабочий ход подается на глубину резания t = 0,2 … 0,3 мм и фрезерует паз на всю длину, затем вновь подается на такую же глубину и паз фрезеруется в другом направлении и так до получения полной глубины паза. В крупносерийном и массовом производствах шпоночные пазы фрезеруют в многоместных приспособлениях комплектом фрез.

Нарезание резьбы. Внутренние резьбы на валах нарезают машинными метчиками на сверлильных, револьверных и резьбонарезных станках, в зависимости от типа производства. Наружные резьбы нарезаются резцами, гребенками, плашками. Наружные резьбы также получают фрезерованием, вихревым методом и накатыванием. В мелкосерийном и единичном производствах наружные резьбы получают на токарно-винторезных станках с применением резьбовых резцов и гребенок, обеспечивая 6 … 8 степени точности резьбы. Резьбы 4-й степени точности нарезают на прецизионных токарно-винторезных станках.

Нарезание резьбы плашками и резьбонарезными головками выполняют на токарных, револьверных и болторезных станках, на токарно-револьверных автоматах. В серийном и мелкосерийном производствах резьбы точностью не выше 7-й степени точности нарезают плашками. В серийном и массовом производствах резьбы нарезают резьбонарезными головками, обеспечивающими повышение производительности в 2 … 4 раза по сравнению с нарезанием резьбы плашками, при повышении точности до 6-й степени.

При нарезании коротких остроугольных резьб широкое распространение получило фрезерование гребенчатой групповой фрезой на резьбофрезерных станках. При этом кроме вращения фрезы и медленного вращения детали обеспечивается осевое перемещение фрезерной головки на шаг резьбы за один оборот детали.

В крупносерийном и массовом производствах резьбу получают накатыванием, при этом получают 6-ю степень точности. Накатывание резьбы более производительный способ, чем нарезание головками.

Если вал не подвергается термической обработке, то резьбу нарезают после окончательного шлифования шеек, что предотвращает порчу резьбы при передачи вала на другую операцию. На закаливаемых шейках вала резьбу нарезают до термической обработки.

Нарезание шлицев на валу. Шлицевые поверхности на валах получают обкатыванием червячной фрезой на шлицефрезерных или зуборезных станках. При диаметре вала более 80 мм шлицы фрезеруют за два рабочих хода. У закаливаемых валов, центрируемых по наружному диаметру, обработка шлицев включает в себя следующие операции: шлифование наружной поверхности; нарезание шлицев с допусками на шлифование по боковым поверхностям; термическую обработку; наружное шлифование; шлифование боковых поверхностей шлицев. У таких же не закаливаемых валов обработка шлицев состоит только из двух операций: наружное шлифование цилиндрической поверхности и фрезерование шлицев. Если шлицевое соединение центрируется по поверхности внутреннего диаметра, то последовательность операций до термической обработки остается той же. После термической обработки выполняется шлифование боковых поверхностей шлицев и шлифование внутренних поверхностей по диаметру. Шлифование шлицев осуществляют либо профильным кругом, либо в две операции: шлифование двумя кругами боковых поверхностей, а затем внутренней поверхности кругом, заправленным по дуге. Шлифование одним профильным кругом дает лучшие результаты по точности и производительности.

Имеются более производительные способы получения шлицев: обработка шлицев на шлице-строгальных и шлице-протяжных станках, а также образование эвольвентных шлицев методом пластического деформирования с помощью накатывания. Накатыванию подвергают валы с твердостью не более НВ 220 при модуле шлицев не более 2,5 мм. Накатанные шлицы повышают износостойкость валов.

Шлифование валов. Существуют два способа шлифования валов: круглое и бесцентровое (рис. 21.5).

h

а б

в

Рис. 21.5. Схемы шлифования валов

1, 2 – шлифовальные круги; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – нож.

Шлифуют валы за две операции (предварительное и окончательное шлифование). При обработке на круглошлифовальных станках технологической базой являются центровые отверстия на торцах заготовки. От качества центровых отверстий зависит точность обработки, поэтому перед базированием вала для шлифования, центровые отверстия подвергают исправлению, путем шлифования конусным кругом. При круглом шлифовании наиболее распространены два метода: осциллирующее и врезное. Осциллирующее шлифование применяется для обработки поверхностей значительной длины (рис. 21.5, а), а врезное (рис. 21.5, б) при обработке коротких шеек. В серийном и массовом производствах врезное шлифование часто осуществляется по автоматическому циклу, что повышает качество обработки и производительность.

В случаях, когда необходимо достигнуть точности обработки размеров, соответствующей 5-му или 6-му квалитетам и шероховатости поверхности Rа = 0, 1 мкм и меньше, после чистового шлифования шейки вала притирают.

При бесцентровом шлифовании заготовка располагается выше оси шлифовальных кругов на величину h (рис. 21.5, б). Подача заготовки 3 вдоль оси осуществляется поворотом ведущего шлифовального круга 2 на угол α, величина которого составляет от 1 до 4,5⁰. Благодаря такому наклону ведущий круг сообщает заготовке посредством сил трения движение подачи. Бесцентровое шлифование осуществляют с продольной и поперечной подачей (врезанием). Врезным бесцентровым шлифованием обрабатывают короткие буртики. Бесцентровое шлифование применяют при обработке небольших валов, при этом обеспечивается точность по 6 … 8-му квалитетам. Этот метод по точности несколько уступает круглому шлифованию.

При изготовлении штоков для гидроузлов при окончательной их обработке применяют обкатывание поверхности роликами. В результате пластического деформирования повышается качество поверхности, упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, коррозионная стойкость.

Контроль валов. Диаметральные размеры, длины ступеней, размеры резьб, шпоночных пазов, шлицев проверяют при помощи предельных скоб, резьбовых и шлицевых колец. Шероховатость поверхности контролируют преимущественно сличением с эталонами.

Для проверки отклонения от соосности шеек ступенчатый вал укладывают базовыми шейками на призмы контрольного приспособления, а стержнем индикатора касаются поверхности контролируемой шейки. Поворачивая вал вокруг оси, определяют биение шейки вала по разности показаний индикатора.

Отклонение от параллельности шлицев или шпоночного паза оси вала устанавливают по разности показаний индикатора в двух крайних положениях, базируя вал на призмы или в центрах.

В крупносерийном и массовом производствах контроль валов осуществляется многомерными приборами с индикаторами или электроконтактными датчиками.

Дата добавления: 2014-01-07