Технология машиностроения.Часть 1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Технология машиностроения» 621(07) К906 В.Л. Кулыгин, В.И. Гузеев, И.А. Кулыгина Технология машиностроения Учебное пособие Часть 1 Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальности «Технология машиностроения» направления «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Челябинск Издательский центр ЮУрГУ 2010 УДК 621.002. 2(075.8) К 906 Одобрено учебно-методической комиссией механико-технологического факультета Рецензенты: д.т.н. проф. Султан-Заде Н.М., к.т.н. доц. Звонарёва Л.М. Кулыгин, В.Л. Технология машиностроения: учебное пособие / В.Л. Кулыгин, В.И. Гузеев, И.А. Кулыгина. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – Ч. 1. – 93 с. В учебном пособии рассматриваются вопросы выбора способов получения заготовок, вопросы построения технологических процессов механической обработки различных групп деталей, особенности их базирования, обработки и контроля. Приведены типовые технологические процессы изготовления деталей-представителей. Пособие рекомендуется для студентов направлений 150900, 151000, специальностей 151001, 151002, 151003, 220501 и других технологических и конструкторских специальностей. При написании пособия использовались источники [1–10]. УДК 621.002.4(075.8) © Издательский центр ЮУрГУ, 2010 2 ОГЛАВЛЕНИЕ I СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ….…...6 2. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЗАГОТОВОК………………6 3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК 3.1. Литьё в песчаные формы…………………………………………….………7 3.2. Литьё в оболочковые формы…….………………………………………….8 3.3. Литьё по выплавляемым моделям………………………….……………….9 3.4. Литьё в металлические формы (копили)…………………….……………10 3.5. Литьё под давлением………………………………………….……………10 3.6. Центробежное литье………………………………………….…………….11 3.7. Литьё в вакуумных печах…………………………………….…………….12 3.8. Литьё непрерывным способом……………………………….……………13 4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК 4.1. Штамповка на молотах…..…………………………………………………14 4.2. Штамповка на кривошипном горячештамповочном прессе (КГШП)………………………………………………………………………15 4.3. Штамповка на горизонтально-ковочной машине (ГКМ)…..…………….16 4.4. Штамповка на ковочных вальцах…………………………….……………17 4.5. Штамповка на обжимных ковочных машинах…………….……………..17 4.6. Штамповка на высокоскоростных штамповочных молотах….…………18 4.7. Штамповка жидкого металла…………………………………….………..18 4.8. Холодная штамповка…………………………………………….…………19 4.9. Порошковое прессование……………………………………….………….20 5. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОКАТА……………………………………………….21 II. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ 1. ТИПОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ДЕТАЛЯМ КЛАССА «ВАЛЫ»……………..………………………………………..…………………22 2. ВЫБОР СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ И ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА…………………………….………..……..23 3. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ………………..……28 3.1. Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)…..………………………………28 3.2. Цементация, азотирование и цианирование….……….…………………..28 4. ЧЕРНОВЫЕ И ПОЛУЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ…………..…...30 4.1. Особенности обработки валов одним резцом…………………………….30 4.2. Многорезцовая обработка валов…………………………………………..32 4.3. Особенности обработки гладких и нежестких валов…………………….36 3 5. ЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ……………………………….……37 5.1. Тонкое точение валов………………………………………………………37 5.2. Круглое шлифование валов………………………………………………..38 6. ОТДЕЛОЧНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ НА ВАЛАХ……………………………………………………………..……....….42 7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ НА ВАЛАХ ШПОНОЧНЫХ КАНАВОК………………………..46 8. ОБРАБОТКА ШЛИЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ВАЛАХ………………………...49 8.1. Технология обработки шлицев на валах при центрировании по внутреннему диаметру вала…………………………………………….50 8.2. Технология обработки шлицев на валах при центрировании по наружному диаметру вала………………………………………………52 8.3. Технология обработки шлицев на валах при центрировании по боковым сторонам шлица………………………………………………52 8.4. Технология обработки шлицев на валах методами накатывания………………………………………………………………...53 9. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВАЛОВ………………………………………………….54 III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГООСНЫХ ДЕТАЛЕЙ 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ» 1.1. Типовые технологические требования, предъявляемые к коленчатым валам………………………………………………………...56 1.2. Способы получения заготовок и исходные материалы для коленчатых валов………………………………………………………57 1.3. Особенности методов базирования коленчатых валов…………………..59 1.4. Типовой технологический процесс изготовления коленчатого вала в серийном производстве……………………………………………..60 1.5. Контроль качества коленчатых валов……………………………………..68 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ПОРШЕНЬ» 2.1. Типовые технические требования, предъявляемые к поршням…………………………………………………………………...68 2.2. Способы получения заготовок и исходные материалы поршней……………………………………………………………………..70 2.3. Технологические особенности базирования поршней…………………...70 2.4. Типовой технологический процесс изготовления поршня в серийном производстве…………………………………………………..71 2.5. Контроль качества поршней……………………………………………….74 3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ШАТУН» 3.1. Типовые технические требования, предъявляемые к шатунам……………………………………………………………………75 3.2. Способы получения заготовок и исходные материалы шатунов…………………………………………………………….………..76 3.3. Типовой технологический процесс изготовления шатуна 4 в серийном (крупносерийном) производстве……………………………..77 3.4. Особенности обработки плоскостей стыка шатуна и крышки…………………………………………………………………….79 3.5. Контроль качества шатунов………………………………………………..80 IV. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВТУЛОК…….…………………………………………………………………81 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ВТУЛКА ЦИЛИНДРА» ДВС 1.1. Типовые технические требования, предъявляемые к втулке цилиндра…………………………………………………………..81 1.2. Способы получения заготовок и исходные материалы втулок……………………………………………………………….……….82 1.3. Технологические схемы изготовления чугунных и стальных втулок в серийном производстве…………………………………………..83 1.4. Контроль качества втулок ДВС……………………………………………88 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ» 2.1. Типовые технические требования, предъявляемые к поршневым пальцам……………………………………………………...89 2.2. Способы получения заготовок и исходные материалы поршневых пальцев………………………………………………………...90 2.3. Типовой технологический процесс изготовления поршневых пальцев………………………………………………………...90 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………………………93 5 I. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ На этапе проектирования технологического процесса технолог в качестве первоочередной решает задачу выбора способа получения заготовки. Основными исходными данными для решения этой задачи являются: – рабочий чертеж детали и технические требования на ее изготовление; – сборочный чертеж узла с описанием условий работы детали в этом узле; – материал детали с указанием пределов его физико-механических свойств; – годовая программа и серийность выпуска. Для одной и той же конструкции детали можно использовать различные заготовки в виде отливок, поковок или проката. Каждый из этих видов заготовок может быть получен различными методами в зависимости от материала, массы, конфигурации и габаритных размеров детали, технологических требований по точности и шероховатости, размеров партии детали и т.д. Главным при выборе заготовки является обеспечение заданного качества готовой детали при ее минимальной себестоимости. Себестоимость детали определяется суммированием себестоимости заготовки по калькуляции заготовительного цеха и себестоимости ее последующей обработки до достижения заданных требований качества по чертежу. Выбор заготовок связан с конкретным техникоэкономическим расчетом себестоимости готовой детали. Необходимо учитывать, что сложные методы получения заготовки, обеспечивающие ее высокую точность, приводят к удорожанию производства и увеличению сроков его окупаемости. И наоборот, простые методы получения неточных заготовок обеспечивают меньшую себестоимость их изготовления. С другой стороны, более точная заготовка требует меньших производственных затрат на ее дальнейшую обработку до получения готовой детали (вплоть до возможности получения готовой детали на заготовительных операциях). И поэтому решение задачи формообразования деталей целесообразно перенести на заготовительную стадию и тем самым снизить расход материала, уменьшить долю затрат на механическую обработку в себестоимости готовой детали. Таким образом, технологу необходимо рассматривать несколько возможных вариантов различных методов получения заготовки для проектируемого технологического процесса с учетом технико-экономического принципа проектирования, а именно: получения заготовки требуемой точности с минимальными затратами на производство готовой детали. 2. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЗАГОТОВОК В современном машиностроении для получения исходных заготовок используется весьма широкий спектр металлических и неметаллических основных материалов: 6 – чугуны (железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%) – белые, серые (марок от СЧ 15 до СЧ 35), ковкие (КЧ 45–6), специальные высокопрочные легированные (ВЧ 38–17, ВЧ 45–5, ВЧ 50–2, ВЧ 60–2), в том числе с вермикулярной и шаровидной формой графита; – низкоуглеродистые конструкционные стали обычного качества (Ст0, Ст3 и т.д.); – качественные конструкционные стали (сталь 10, сталь 20, сталь 35, стали 40, сталь 45 и т.д.); – конструкционные стали, легированные хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием с однокомпонентным (15Х, 20Х, 40Х, 65Г, 60С2) и многокомпонентным легированием (12ХН3А, 20ХГС, 18Х2Н4МА, 38ХМЮА и т.д.); – алюминий (А00, А0, А1, А2 и А3); – сплавы алюминиевые литейные (ГОСТ 1583-93) на основе систем: – алюминий-кремний-магний – АК–12 (АЛ2), АК–7, АК–8 (АЛ34), АК7ч (АЛ9) и т.д.; – алюминий-кремний-медь – АК5М (АЛ5), АК5М7, АК8М (АЛ32) и т.д.; – алюминий-медь АМ5 (АЛ19) и т.д.; – алюминий-магний АМг5К (АЛ13) и т.д.; – медь (МО, М1, М2, М3 и М4); – сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием (бронза БрАЖ9, БрАМц9, БрАЖН10–4–4, БрОФ10–1, БрОЦС4–4–4) и т.д.; –сплавы меди с цинком – латуни (обычные ЛС59, Л62 и т.д., и специальные типа ЛМцОС58–2–2–2); Из неметаллических материалов для прокладок и уплотнений при сборке узлов и механизмов машин используются: графит, картон, паронит, кабельная бумага, маслостойкие резины (МБС), тепломорозокислотощелочностойкие резины (ТМКЩ), асбостальной лист, отдельные разновидности пластмасс, в том числе слоистые фенопласты (текстолит, асботекстолит, стеклотекстолит). Выбор конкретной марки основного материала и назначение пределов физикомеханических свойств к нему для той или иной детали – прерогатива конструктора, учитывающего особенности работы детали в механизме и усилия, действующие на нее в процессе эксплуатации. Для технолога машиностроения важен фактор обрабатываемости конкретного материала, а также особенности его поведения в процессе термической и механической (в том числе лезвийной) обработок. 3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК 3.1. Литьё в песчаные формы Литъё в песчаные формы – старый и универсальный способ, позволяющий получать заготовки из различных материалов в широком диапазоне размеров. Песчаные литейные формы и стержни служат один раз, они изготовляются из формовочных и стержневых смесей, в состав которых входят: песок, глина, вода, 7 связующие и противопригарные добавки. Удачный подбор состава смеси обеспечивает ей хорошую пластичность, прочность, противопригарность, газопроницаемость и податливость, неудачный – приводит к образованию в отливках дефектов в виде наружных и внутренних раковин, поверхностной корки и горячих трещин. Данный метод используется для получения заготовок с точностью 14–16 квалитет, шероховатостью Ra = 80 мкм и более, с минимальной толщиной стенки: 12 мм – для стальной отливки, 8 мм – для чугунной отливки, 5 мм – для алюминиевых сплавов. Достоинство метода: возможность получения заготовок сложной конфигурации любой массы при относительно низкой себестоимости отливок. Недостатки метода: невысокая точность изготовления и низкая прочность стальных деталей из-за литой зернистой структуры, имеющей внутренние дефекты в виде скрытых полостей, газовых и песочных раковин, трещин, коробления, неравномерной прочности в разных частях и сечениях. 3.2. Литьё в оболочковые формы Литъё в оболочковые формы применяется для получения отливок простой формы из черных металлов и цветных сплавов (рис. 1.1). Рис. 1.1. Литьё в оболочковые формы: 1 – смесь кварцевого песка и смолы; 2 – модельная плита; 3 – бункер; 4 – оболочка; 5 – опока; 6 – дробь; 7 – расплав; 8 – литейная форма; 9 – отливка; 10 – литник 8 Процесс литья основан на свойстве ряда термореактивных синтетических смол при небольших температурах (до 70ºС) плавиться и совместно с кварцевым песком образовывать оболочковую форму толщиной 6–10 мм. Затем в другой печи эта оболочка нагревается до 700ºС, смола необратимо затвердевает и получаются две полуформы по формовочной модели, которые обладают хорошей газопроницаемостью и малой теплопроводностью. После получения эти две полуформы склеиваются, размещаются в опоке и заливаются расплавом металла (рис. 1.1). Например, литьём в оболочковые формы получаются заготовки чугунных коленчатых валов автомобильных и тракторных двигателей внутреннего сгорания. Данный метод более точный, по сравнению с литьем в песчаные формы. Точность получаемых размеров 10–12 квалитет, шероховатость Ra = 5–10 мкм. 3.3. Литьё по выплавляемым моделям Литъё по выплавляемым моделям применяется для получения мелких стальных заготовок простой и сложной формы. Модели для изготовления неразъёмных форм получаются из легкоплавких материалов, таких как смесь стеарина и парафина, в специальных пресс-формах и собираются в блок, имеющий общую литниковую систему. Полученные блоки покрываются огнеупорной суспензией и обсыпаются песком. Затем смесь парафина и стеарина выплавляется, оболочка обжигается в печи, и в нее заливается расплав (рис. 1.2). Точность получаемых размеров 10–12 квалитет, шероховатость – Ra = 5–10 мкм. Данный метод позволяет получать отливки, не требующие дальнейшей механической обработки. Возможно получение отливок с минимальной толщиной стенки для стальных заготовок – 2…2,5 мм. а) б) Рис. 1.2. Литьё по выплавляемым моделям: а) керамическая форма – оболочка; б) возможные изделия 9 3.4. Литьё в металлические формы (кокили) Кокиль – это металлическая форма многократного использования (рис. 1.3). Этот метод применяется для получения заготовок из алюминиевых сплавов, чугуна и простой углеродистой стали. Для получения отверстий в заготовках для таких форм могут изготавливаться песчаные стержни, а получаемые с помощью таких стержней отверстия не имеют литейных уклонов. Минимальная толщина стенки: 2,0–2,5 мм для алюминиевых сплавов, а для чугуна – 1,2–2,0 мм. Достоинство метода: – метод в 2…3 раза производительнее по сравнению с литьём в песчаные формы; – отсутствие формовочной смеси. Недостатки метода: высокая стоимость изготовления форм при их невысокой эксплуатационной стойкости (выдерживают изготовление до 300 мелких или 50 крупных отливок). а) б) Рис. 1.3. Литьё в кокиль: а) кокиль; б) отливка 3.5. Литьё под давлением Литъё под давлением применяется для получения сложных тонкостенных отливок из цветных сплавов, реже из чугуна и стали. Литьё осуществляется на специальных машинах в пресс-формах. Жидкий металл сжимается поршнем и подаётся под давлением в разъёмную металлическую форму (рис. 1.4, см. с. 11). Достоинства метода: высокая точность 10–11 квалитет, шероховатость – Rа ≈ 5 мкм (можно получать резьбу в отверстии), минимальная толщина стенки для алюминиевого сплава – 1,5 мм, высокая производительность (300–400 отливок в час), часто не требуется дальнейшая механическая обработка. 10 Рис. 1.4. Литьё под давлением: 1 – подвижная часть пресс-формы, 2 – выпор, 3 – металлический стержень, 4 – камера сжатия, 5 – заливочный ковш, 6 – поршень,создающий давление, 7 – отливка, 8 – литники Недостатки метода: сложная конструкция машины, высокая стоимость прессформ. 3.6. Центробежное литьё Центробежное литъё применяется для получения заготовок деталей, имеющих ось вращения, а также мелких точных тонкостенных фасонных отливок. Хорошая наполняемость формы металлом обеспечивается за счёт действия центробежных сил. Формы под литьё, перед заливкой, приводятся во вращение на машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения, и вращаются до полного остывания заготовки (рис. 1.5.). Достоинство метода: более равномерная структура отливки по глубине, отсутствуют внутренние полости и раковины, что улучшает эксплуатационные показатели. Недостатки метода: сложные конструкции машин и высокая стоимость изготовления отливок. Точность отливок – до 14 квалитета, шероховатость – Ra = 20–80 мкм. Данный метод позволяет получать биметаллические заготовки. 11 Рис. 1.5. Центробежное литьё: 1 – заливочный ковш; 2 – форма; 3 – радиальные каналы; 4 – отливка; 5 – песчаный стержень; 6 – лоток 3.7. Литьё в вакуумных печах Литьё в вакуумных печах применяется для получения небольших заготовок простой формы (кольца, втулки) из алюминиевых и медных сплавов с содержанием титана, которые быстро окисляются на воздухе (рис. 1.6). Данный метод позволяет исключить появление на поверхности отливки погрешностей в виде пористости и газовых раковин из-за отсутствия воздействия внешней среды. 12 Рис. 1.6. Литьё вакуумным всасыванием: 1 – ванна с расплавом;2 – патрубок; 3 – водоохлаждаемая металлическая форма;4 – керамическая заглушка; 5 – отливка 3.8. Литьё непрерывным способом Литъё непрерывным способом применяется для получения длинных заготовок (несколько десятков метров в длину) в виде прутков и труб различного профиля поперечного сечения (рис. 1.7). Рис. 1.7. Непрерывное литьё:1 – тянущие валки; 2 – водоохлаждаемая изложница; 3 – охлаждаемый стержень; 4 – тигель; 5 – резак 13 Жидкий металл из металлоприёмника поступает в горизонтальный или вертикальный графитовый кристаллизатор – изложницу, которая постоянно охлаждается водой. Форма поперечного сечения отливки формируется в кристаллизаторе, а длина отливки обеспечивается тянущими валками. Точность отлитых заготовок ниже, чем у периодического проката и достигает 10 квалитета. 4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОКОВОК 4.1. Штамповка на молотах Технология штамповки на молотах основана на динамическом воздействии на заготовку удара падающих частей молота (поршня, штока, бабы, верхнего штампа). Вес движущихся частей молота определяет его мощность. При штамповке на молоте можно регулировать силу и частоту ударов, при этом за счёт больших скоростей деформирования металла обеспечивается однородная качественная структура заготовки. На молотах штампуются поковки сложных конструкций с элементами протягивания (рис. 1.8). Рис. 1.8. Поковки, штампуемые на молотах Штамповка может осуществляться как на одноручьевых, так и на многоручьевых штампах. Сложные поковки штампуются в несколько переходов, последовательно приближая заготовку к окончательной форме, которая придаётся ей в последнем ручье. Достоинство метода многоручьевой штамповки в максимальном приближении формы заготовки к форме готовой детали, что позволяет значительно уменьшить припуск, снимаемый на последующих операциях механической обработки, а некоторые поверхности получать окончательно уже на заготовительной операции. Недостатком данного метода является высокая стоимость изготовления штампов, потеря точности при их износе и невозможность восстановления изношенных гравюр и зеркал штампов. 14 4.2. Штамповка на кривошипном горячештамповочном прессе (КГШП) Технология штамповки на КГШП основана на статическом безударном действии кривошипно-шатунного механизма на заготовку, при этом возможно получение различных по форме поковок(рис. 1.9). Рис. 1.9. Типовые поковки, изготовляемые выдавливанием Жесткий ход ползуна, равный удвоенному радиусу кривошипа, позволяет осуществлять штамповку за один рабочий ход. Но металл плохо заполняет рельеф ручья штампа (особенно его верхнюю половину), поэтому требуется большое число переходов, а при штамповке поковок сложной формы необходимо использование предварительно профилированной заготовки. На КГШП можно штамповать все типы поковок, а также осуществлять штамповку выдавливанием. Преимущество КГШП перед молотами: – производительность выше в 2–3 раза; – возможность получения более точных поковок по высоте и смещению штампов; – уменьшение припусков на дальнейшую механическую обработку из-за меньших штамповочных уклонов; – процесс поддается механизация и автоматизации. Недостатки КГШП: – стоимость КГШП в несколько раз выше стоимости эквивалентного по мощности молота; – малая скорость деформирования металла и плохое заполнения ручьёв штампа требует большого количества переходов, что ведёт к удорожанию процесса; – заготовку после нагрева необходимо очищать от окалины, т.к. процесс безударный и окалина не отлетает от поверхности заготовки при штамповке. 15 4.3. Штамповка на горизонтально-ковочной машине (ГКМ) Технология штамповки на ГКМ применяется для получения поковок высадкой и прошивкой (рис. 1.10). 1. Поковки с одним утолщением на конце или на участке по длине стержня 2. Поковки типа колец простой конфигурации 3. Поковки типа втулок 4. Поковки со сложным наружным контуром 5. Поковки с глухой прошивкой Рис.1.10. Типовые поковки, изготовляемые на ГКМ Высадка и прошивка поковок осуществляется как из пруткового материала и труб, так и из штучной заготовки на горизонтальном кривошипном прессе, дополненном боковым механизмом для перемещения одной из половин разъёмной матрицы. Жесткий ход и конструкция штампов с двумя плоскостями разъёма позволяют получать поковки без заусенцев и штамповочных уклонов, с точными размерами, однородной структурой металла. Достоинства ГКМ: – высокая производительность (по сравнению с молотами и КГШП); – возможность получения поковок сложной формы; – экономия металла из-за малых уклонов штампов и отсутствия заусенец. Недостатки ГКМ: – высокая стоимость из-за сложной конструкции штампов; – быстрый износ штампов. 16 4.4. Штамповка на ковочных вальцах Данный метод применяется как для предварительного профилирования заготовок с последующей штамповкой на молотах и прессах, так и для получения окончательно готовых заготовок под последующую механическую обработку. Штамповка осуществляется секторными штампами с ручьями, закреплёнными на валках, вращающихся навстречу друг другу. Нагретая прутковая заготовка подаётся в ручей, и при повороте валков заготовка обжимается по форме ручья и выталкивается обратно (рис. 1.11). а) б) Рис. 1.11. Схема вальцовки на консольных ковочных вальцах (а) и типовые поковки (б): 1 – валки; 2 – штампы-секторы; 3 – заготовка 4.5. Штамповка на обжимных ковочных машинах. Технология процесса обжатия и вытяжки прутковой и трубной заготовок заключается в деформации поверхностей заготовки по её периметру двумя или четырьмя радиально сходящимися бойками. Бойки, одновременно с профилированием заготовки, совершают вращение вокруг её оси. Обработка возможна в холодном и нагретом состоянии заготовки, при этом обеспечивается высокая точность и равномерная упрочненная структура поверхностного слоя (рис. 1.12). 17 а) б) Рис. 1.12. Схема профилирования на обжимной ковочной машине (а) и типовые поковки (б): 1 – бойки; 2 – обрабатываемая заготовка; 3 – клещевой захват 4.6. Штамповка на высокоскоростных штамповочных молотах. Высокоскоростные штамповочные молоты за счёт ускоренного разгона ударных частей давлением газа (воздуха) или другими энергоносителями развивают к началу рабочего хода скорость движения рабочего инструмента до 20–50 м/с против 5–8 м/с у обычных паровоздушных молотов. За счёт этого создаются благоприятные условия для штамповки поковок из трудно деформируемых сплавов с тонкими быстро остывающими ребрами, стенками и отростками (рис. 1.13). Рис. 1.13. Типовые поковки, изготавливаемые на высокоскоростных штамповочных молотах Штамповка осуществляется, как правило, за один удар. Однако, наряду с достоинствами, эти молоты уступают паровоздушным молотам в универсальности и возможности многоручьевой штамповкой, менее производительны и сложны в обслуживании. 4.7. Штамповка жидкого металла Технологический процесс штамповки жидкого металла сочетает элементы литья и обработки пластическим деформированием (рис. 1.14). 18 а) б) в) г) Рис. 1.14. Штамповка жидкого металла: а) чертеж изделия; б) разливка расплава; в) штамповка; г) изделие; 1 – разъёмная матрица; 2 – пуансон Технология включает следующие операции: плавление металла в специальной печи; дозированная разливка расплава в ручей штампа, установленного на прессе; сжатие кристаллизирующегося сплава; извлечение изделия; подготовка к следующей заливке. Достоинства: небольшие усилия штамповки; экономия металла; возможность получения тонкостенных изделий; малые припуски. 4.8. Холодная штамповка Холодная штамповка высадкой и выдавливанием (рис. 1.15). Рис. 1.15. Переходы штамповки винта на холодновысадочном автомате: 1 – заготовка; 2 – предварительная высадка; 3 – высадка головки;4 – накатка резьбы Выдавливание осуществляется на пресс-автоматах, при этом получаются заготовки и детали стержневого типа, осе симметричные сплошные и полые (толкатели, фигурные втулки). Высадка выполняется на холодновысадочных автоматах из прутка или проволоки. Получаются детали с местным утолщением сплошные и с отверстиями (заклепками, болты, винты, гайки). Все переходы штамповки выполняются автоматически. 19 Холодная штамповка раскаткой и прокаткой используется для получения заготовок тел вращения (колёса, кольца подшипников качения) и зубчатых, шлицевых, резьбовых поверхностей (рис. 1.16, а). а) б) Рис. 1.16. Схема накатки винтов (а) и зубчатых колес (б): 1 – валки; 2 – винт; 3 – колесо; 4 – зажим Винтовые резьбы накатываются на станах с валками, имеющими негативную нарезку по отношению к изделию, зубчатые колеса – на зубонакатных станках (рис. 1.16, б), вагонные колеса и кольца обрабатываются на раскатных станахавтоматах. 4.9. Порошковое прессование При порошковом прессовании исходное сырьё в виде порошка железа, меди, никеля, хрома, кобальта, вольфрама, олова, серебра и других металлов прессуется в холодном или горячем состоянии и спекается. Этот метод обеспечивает точность размеров детали и шероховатость поверхностей, позволяющих исключить механическую обработку или свести ее к минимуму. Достоинства технологии получения порошковых изделий: – возможность осуществления безотходной технологии; – низкая себестоимость изделий; – возможность создания псевдосплавов из не сплавляющихся металлов (медьвольфрам, серебро-вольфрам и др.), обладающих особыми электромагнитными свойствами; – возможность получения изделий с высокими эксплуатационными (жаростойкость, износостойкость) и специальными (пористость – фильтры, антифрикционность – подшипники скольжения) свойствами. Недостатками порошковых изделий является ограниченность размеров и относительно простая форма, что обусловлено спецификой формирования порошков. Использование порошковых изделий в качестве деталей машин ограничивается наличием остаточной пористости, не позволяющей в некоторых случаях по20 лучить такие же физико-механические свойства, как при изготовлении литьём или пластическим деформированием. 5. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОКАТА В машиностроении для производства заготовок используется продукция металлургических предприятий в виде периодического проката различного профиля. Это горячекатаные, холоднотянутые, кованые прутки круглого и шестигранного профилей, трубы и листы. Размеры прутков горячекатаных и холоднотянутых колеблются от 8 мм до 180 мм в диаметре, свыше 180 мм изготавливаются кованые прутки. Для повышения прямолинейности заготовок применяется правка прутков: – проволока и прутки малых и средних диаметров правятся на правильных станках (диаметр заготовки до 40 мм); – прутки больших диаметров (свыше 40 мм) правятся на прессах. Для окончательного получения требуемых заготовок производится обрезка прутков в заданный размер. Для этого используются станки с дисковыми или ленточными пилами, с отрезными абразивными кругами, токарно-обрезные автоматы и полуавтоматы, механические и гидравлические прессы. 21 II. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ 1. ТИПОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ДЕТАЛЯМ КЛАССА «ВАЛЫ» Валы относятся к классу деталей типа тел вращения с длиной L, превышающей три диаметра D (L>3D). В технологическом отношении валы подразделяются: по размерам; по конфигурации; по точности. Валы, в размерах которых отношение L к D меньше 12, относятся к валам жёстким, если же это отношение больше 12, то валы – нежёсткие. По конфигурации валы могут быть: бесступенчатые и ступенчатые; цельные и пустотелые; гладкие и шлицевые; валы-шестерни; комбинированные валы в разнообразном сочетании приведенных выше групп. По форме геометрической оси валы могут быть прямыми, коленчатыми, кривошипными и эксцентриковыми (кулачковыми). По точности валы разделяются на четыре группы: – валы особо точные – рабочие шейки изготовляются с точностью 4–5 квалитета, остальные поверхности с допусками по 6–7 квалитету; – точные валы – основные рабочие поверхности изготовляются по 6 квалитету точности, а остальные поверхности по 8 квалитету; – валы нормальной точности – поверхности этих валов выполняются с точностью 8–9 квалитета; – валы пониженной точности – поверхности основных размеров изготовляются с точностью 10–14 квалитета. Требования к точности и качеству поверхностного слоя валов устанавливаются исходя из необходимости обеспечения того или иного эксплуатационного параметра (износостойкости, контактной жесткости, прочности посадки, сопротивления усталости, коррозионной стойкости), определяющего надёжность валов в эксплуатации. Так, опорные шейки валов под подшипники качения должны обеспечивать требуемую прочность посадки с внутренним кольцом подшипника и сопротивление усталости в опасном сечении, а под подшипники скольжения – необходимую износостойкость и контактную жёсткость. Посадочные шейки валов под зубчатые колеса должны обеспечивать необходимую прочность посадки, рабочие поверхности кулачка – необходимую износостойкость. При работе в химически агрессивных и влажных средах поверхности валов должны обладать необходимой коррозионной стойкостью; в некоторых случаях отдельные участки одной и той же поверхности валов, например, кулачки распределительных валов, могут работать при различных давлениях и скоростях, что будет вызывать их неравномерный износ, а, следовательно, и уменьшение долговечности. Во избежание этого к этим поверхностям должны предъявляться особые требования по закономерному изменению их качества. Боковые поверхности зубьев и шлицев, наряду с износостой22 костью должны обладать высоким сопротивлением усталости у своего основания, а в районе делительной окружности – определённой контактной прочностью. Все это должно отражаться в технических требованиях на изготовление валов. Исходя из функционального назначения, к валам предъявляются следующие технические требования: – отклонение от соосности и прямолинейности всех участков валов должны быть в пределах установленного допуска (например, допустимая искривленность оси вала 0,03…0,06 мм/м); – радиальное биение посадочных шеек валов относительно базирующих шеек (например, 0,01…0,03 мм); – осевое биение упорных торцов или уступов (например, не больше 0,01 мм на наибольшем радиусе); – отклонение от параллельности шпоночных канавок или шлицев и оси вала (например, не выше 0,01 мм на 100 мм длины); – овальность и конусообразность обрабатываемых шеек вала (0,2…0,4 допуска на диаметр шеек); – поверхности посадочных шеек валов под зубчатые колеса должны быть обработаны с параметрами шероховатости Ra = 0,63…2,0 мкм, под подшипники скольжения Ra = 0,2…0,5 мкм, торцевые поверхности должны быть обработаны с получением параметра Ra = 3,2…10 мкм; – центровочные отверстия валов должны быть сохранены в готовых деталях, кроме случаев, оговариваемых техническими требованиями; – трещины, раковины и другие дефекты в материале не допускаются; – сварка валов допускается только в особых случаях; – особо ответственные валы должны проходить контроль на твердость; – обработанные поверхности валов перед сдачей на склад должны быть покрыты антикоррозионной смазкой. 2. ВЫБОР СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ И ИХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА Большинство деталей типа тел вращения (валы, пальцы, втулки, стержни) изготавливаются из круглого проката. В производстве с большим объёмом выпуска продукции, а также при изготовлении деталей сложной конфигурации со значительно различающимися по диаметру ступенями как наружных, так и внутренних поверхностей заготовки целесообразнее получать методами пластического деформирования (ковка, штамповка, периодическая прокатка, обжатие на ротационно-ковочных машинах и т.п.). Кроме того, отдельные детали вышеуказанных классов изготавливаются из литых заготовок из стали, чугуна и цветных сплавов. В каждом конкретном случае, выбирая заготовку, нужно стремиться к уменьшению ее металлоемкости, которая характеризуется коэффициентом использования материала (гамма) γ=m/M, где m – масса готовой детали, M – масса заготовки. Литые валы используются реже всего, так как вал нагруженная ответственная деталь, а дефекты литья приводят к ненадежности работы вала. Перед поступле23 нием на участок механической обработки заготовки валов подвергаются ряду предварительных операций в заготовительных цехах. Валы в основном, изготовляются из конструкционных и легированных сталей, которые должны обладать высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, малой чувствительностью к концентрации напряжений, а для повышения износостойкости должны подвергаться термической обработке. Этим требованиям наиболее полно отвечают такие марки сплавов: 35; 40; 45; 40Х; 50Х; 40Г2; 45ХНМ; 38Х210А и другие. По сравнению с конструкционными сталями и сплавами, легированные сплавы применяются реже из-за более высокой стоимости и повышенной чувствительности к концентрации напряжений. Производительность механической обработки валов во многом зависит от вида заготовки, её материала, размера и конфигурации, а также от характера производства. Прокат круглого сечения поступает на машиностроительные заводы в виде многометровых прутков, из которых в заготовительных целях нарезаются заготовки необходимой длины. В серийном и массовом производствах для этих целей наиболее часто используются отрезные круглопильные станки. В качестве режущего инструмента в них применяются пильные диски, оснащенные сегментами из быстрорежущей стали. Таким диском можно разрезать прокат диаметром до 240 мм или пакет прутков меньшего диаметра. Торцы заготовок после отрезки имеют шероховатость Ra=25 мкм. В мелкосерийном и единичном производствах применяются более простые, но менее производительные отрезные ножовочные станки. В сравнении с перечисленными выше методами, другие методы резки применяются реже. К ним относятся резка на токарно-отрезных станках отрезными резцами, на фрезерных станках прорезными фрезам, резка фрикционными пилами. К наиболее производительным методам относится рубка прутков на прессах и резка ножницами. Заготовки такого вида применяются в основном в мелкосерийном и единичном производстве, а также при изготовлении валов с небольшим количеством ступеней и незначительными перепадами их диаметров (рис. 2.1). В производстве с более значительным масштабом выпуска, а также при изготовлении валов более сложной конфигурации с большим количеством ступеней, значительно различающихся по диаметру, заготовки целесообразнее получать методом пластической деформации. Эти методы (ковка, штамповка, обжатие на ротационно-ковочных машинах, электрическая высадка) позволяют получать заготовки, по форме и размерами наиболее близкие к готовой детали, что значительно повышает производительность механической обработки и снижает металлоёмкость изделия. 24 а б в Рис. 2.1. Заготовки, полученные различными методами: а) штамповкой в штампах; б) штамповкой на горизонтально-ковочной машине; в) поперечно-винтовой прокаткой С увеличением масштаба выпуска особое значение приобретает эффективность использования металла и сокращения механической обработки. Поэтому в крупносерийном и массовом производстве преобладают методы получения заготовок с коэффициентом использования металла от 0,7 и выше (иногда до 0,95). Штучную заготовку из прутка целесообразно заменять штампованной, если коэффициент использования металла повышается не менее чем на 5%, учитывая, конечно, экономическую целесообразность других факторов. Обработка валов подразделяется на предварительную обработку, как правило, осуществляемую в заготовительных цехах или отделениях, и окончательную, реализуемую в механических цехах. К методам предварительной обработки валов относится резка; правка и центровка. Типовой маршрут на операции предварительной обработки выглядит следующим образом. 005 Заготовительная операция. Для заготовок из проката используется рубка прутка на прессе или обрезка прутка на фрезерно-отрезном или другом станке. Для заготовок, получаемых методом пластического деформирования – штамповка или ковка заготовки. 010 Правильная операция (применяется для заготовок из периодического проката). Осуществляется правка заготовок на прессе. В массовом производстве может производиться правка всего прутка до отрезки заготовки, на правильнорихтовочных или калибровочных станках (рис. 2.2). 25 v s Рис. 2.2. Схема правильно-рихтовочного устройства станка: 1 – обрабатываемый пруток, 2 – правящие ролики 015 Токарная операция (подготовка технологических баз). Производится обработка торцов и сверление центровых отверстий на заготовке. В зависимости от типа производства операция осуществляется следующим образом: – в единичном производстве – на универсальных токарных станках последовательно за два установа; – в серийном производстве подрезка торцов выполняется на продольнофрезерных или горизонтально-фрезерных станках, а сверление центровых отверстий – на одностороннем или двустороннем центровальном станке. Также могут применяться фрезерно-центровальные полуавтоматы последовательного действия с установкой заготовки по наружному диаметру в призмы и базированием в осевом направлении по упору (рис. 2.3 и 2.4); – в массовом производстве – на фрезерно-центровальных станках барабанного типа, в которых одновременно фрезеруются и центрируются две заготовки в одну установку. Форма и размеры центровых отверстий назначаются в соответствии с их технологическими функциями по ГОСТ 14034-74. 26 Рис. 2.3. Схема выполнения фрезерно-центровальной операции на фрезерно-центровальном полуавтомате а б Рис. 2.4. Схема центрирования вала: а) подрезка торца и центровка заготовки на токарном станке с вращающейся инструментальной головкой; б) подрезка торца и центрирование заготовки на токарном станке с не вращающейся головкой; 1 – инструментальные головки; 2 – заготовка; 3 – самоцентрирующее приспособление; 4 – упор для установки заготовки по длине; 5 – упор 27 3. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ Значительная часть деталей класса «валы» подвергается термической обработке (закалке) или обработке одним из химико-термических методов для повышения контактной прочности поверхностей, износоустойчивости с сохранением пластичности по основному материалу. К таким методам химико-термической обработки относятся закалка токами высокой частоты (ТВЧ), цементация, азотирование и цианирование. В технологическом процессе данные операции располагаются обычно после черновой и получистовой обработки. 3.1. Закалка токами высокой частоты (ТВЧ) Сущность закалки ТВЧ состоит в поверхностном нагреве какого-либо участка детали с последующим резким охлаждением. Закалке ТВЧ подвергаются шейки стальных и чугунных коленчатых валов, кулачки и опорные шейки распределительных валов, гильзы и другие детали. Основное требование к материалу деталей под закалку ТВЧ с обеспечением твердости поверхностного слоя > HRCэ 40, состоит в достаточности содержания в материале углерода. Обычно углерода должно быть не менее 0,42% – это стали типа 45-селект с контролем содержанием углерода не ниже допустимого предела или стали дополнительно легированные хромом (40Х, 45Х, 40ХНМ). Глубина закалённого слоя определяется требованиями ЧТД и обычно находится в пределах 1,5…3,0 мм. Установки закалки ТВЧ коленчатых и распределительных валов встраиваются в технологические линии механической обработки с последовательной закалкой каждой шейки. Метод закалки ТВЧ достаточно экологически чист по сравнению с объёмной закалкой, при этом обеспечивается экономия электрической энергии, и снижение общего циклового времени изготовления детали за счёт сокращения транспортных перевозок и межоперационного ожидания. При поверхностной закалке ТВЧ обеспечиваются значительно меньшие деформации деталей, чем при объёмной закалке. 3.2. Цементация, азотирование и цианирование Сущность цементации состоит в насыщении поверхностного слоя материала углеродом и придания ему путём последующей термообработки (закалка-отпуск), высокой твердости. Цель цементации – повышение износоустойчивости поверхности и предела усталости с сохранением достаточной пластичности сердцевины детали. Цементация может проводиться в твердой среде (твердом карбюризаторе) в смеси древесного угля или кокса с CaCO3 и ВаСО3; газовой среде (газ СН4) и в жидкой среде (расплавы солей Na2СО3+NaCl+SiC). 28 Температура при цементации зависит от выбранного метода и находится в пределах 850…980ºС (выше линии Ас3 материала). Длительность процесса также зависит от способа цементации и определяется глубиной необходимого слоя насыщения. Так, при обработке в твердом карбюризаторе при интервале длительности процесса от 5 до 24 часов глубина насыщенного слоя получается 0,4…2,5 мм; 12 часовой режим газовой цементации обеспечивает получение слоя до 1,8 мм. Под воздействием высокой температуры свободный углерод проникает в кристаллические решетки металла с образованием карбидов. Карбиды образуются в химическом соединении углерода с железом (Fe3С), хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием после последующей термической обработки, обеспечивая твёрдость поверхностного слоя HRC > 50 ед. Цементации подвергаются поверхности деталей из малоуглеродистых сталей (Ст10, Сталь20, Ст3) и малоуглеродистых легированных сталей типа: 20Х, 20ХМ, 12ХНЗА, 18 Х2Р4МА и им подобных. Операции цементации проводятся до окончательной обработки детали. После предварительной механической обработки в размеры, обеспечивающие необходимые требования чертежно-технологической документации по глубине слоя, деталь направляется на цементацию. Поверхности, на которых не должно быть цементированного слоя (например, резьбовые) защищаются «накладными» припусками, электрохимическим покрытием медью либо специальными пастами. Азотированием называется процесс насыщения поверхности азотом. Азотирование проводится с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости. Различается азотирования прочностное и антикоррозионное. При прочностном азотировании детали, изготовленные из сталей, легированных алюминием, хромом, молибденом, ванадием, выдерживаются в среде диссоциированного аммиака (NН4) при температуре 480..650ºС в течение длительного времени. Антикоррозионное азотирование отличается кратковременностью, небольшой глубиной слоя (0,025…0,060 мм) и может выполняться на углеродистых и низколегированных материалах. Азотирование проводится в специальных печах в газовой среде со степенью диссоциации аммиака от 25 до 40%. Разновидностью газового азотирования является ионное газовое азотирование, при котором проникновение азота в металл под воздействием температуры и электрического поля происходит уже не на молекулярном, а на ионном уровне. Азот, проникая в металл, образует химические соединения – нитриды. Наиболее прочные нитриды образует алюминий, затем по степени снижения твердости – хром, молибден, железо, ванадий. Никель, медь не образуют нитридов. Твердость азотированной поверхности в зависимости от химического состава металла, может достигать НV 1000…1150; требования чертежной документации деталей двигателя обычно находится в пределах НV 570…750. 29 Процесс насыщения поверхностных слоев изделия одновременно углеродом и азотом называется цианированием. После цианирования поверхность приобретает большую твердость, чем при обычной цементации. Цианированию подвергаются детали, работающие на износ при динамических нагрузках, а также режущий инструмент. В зависимости от вида карбюризатора цианирование проводится в жидкой, газовой или твердой средах в интервале трех температурных режимов: 540…560ºС; 820…860ºС; 920…960ºС. Глубина цианированного слоя находится в пределах 0,015…0,030 мм при твердости поверхности НV 1000…1100. 4. ЧЕРНОВЫЕ И ПОЛУЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ Обработка валов обычно условно подразделяется на два этапа: черновое (предварительное) и чистовое (окончательное) обтачивание. Черновое обтачивание осуществляется на станках токарной группы: токарновинторезных, токарно-револьверных, многорезцовых, токарно-карусельных, одно и многошпиндельных токарных полуавтоматах и автоматах, токарных станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах. При черновом обтачивании снимается большая часть припуска с большими глубинами резания и с различными схемами механической обработки. 4.1. Особенности обработки валов одним резцом Черное (предварительное) обтачивание вала одним резцом может осуществляться по трем различным схемам (рис. 2.5, см. с. 29). При работе по схеме а) каждая ступень вала обтачивается, начиная с торца, и таким образом вся обработка вала производится за три технологических перехода: за 1-й переход обтачиваются ступени А, Б и В; за 2-й переход – ступени А и Б; за 3-й переход – ступень А. При работе по схеме б) каждая ступень вала обтачивается отдельно: ступень А вследствие большой глубины резания обтачивается за два технологических перехода (1-й и 2-й); ступень Б – за один переход (3-й) и ступень В – за один переход (4-й). Комбинированная схема обработки в) предусматривает обтачивание ступени В за 1-й технологический переход, начиная с торца, ступень А обтачивается за 2-й переход и ступень Б – за 3-й переход. 30 а) б) в) Рис. 2.5. Три схемы обработки ступенчатого вала На выбор той или иной схемы может влиять величина припусков на отдельных ступенях вала и соотношение размеров ступеней, таких как диаметр и длина. Схема, обеспечивающая минимальное основное время и наименьше число холостых ходов, будет являться наиболее выгодной. На производстве существуют три основных способа обработки одной стороны ступенчатого вала: 1. Концентрированный метод работы с переустановкой резцов (смена позиций). Последовательно обрабатываются все ступени. Применяется в индивидуальном и мелкосерийном производстве на универсальных и ненастроенных станках; 2. Обработка ступеней в несколько установов. Сначала на настроенном станке вся партия обрабатывается на один диаметр, потом перенастраивается станок и производится обработка другого диаметра или шейки вала. В последний установ подрезаются торцы. Применяется в средне и крупносерийном производстве; 3. Многорезцовая токарная обработка в одну установку на станкахполуавтоматах, гидрокопировальных станках, станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах. Используется в серийном и массовом производстве. 31 4.2. Многорезцовая обработка валов Принцип концентрации операций при токарной обработке осуществляется при обтачивании одновременно нескольких поверхностей вращения несколькими инструментами – резцами на многорезцовых станках. Такие станки-полуавтоматы широко применяются в серийном и массовом производстве. Обычно на многорезцовых станках имеются два суппорта – передний и зданий. Передний суппорт, имеющий продольное и поперечное движение, служит большей частью для продольного обтачивания заготовок – валов или других деталей (тел вращения). Задний суппорт, имеющий только поперечное движение, предназначен для подрезания торцов, прорезания канавок, фасонного обтачивания. Многоместные суппорты могут оснащаться большим количеством резцов, доходящим до 20 шт. Многорезцовые станки с большим расстоянием между центрами имеют два передних и два задних суппорта. Движение суппортов автоматизировано. Закончив обработку, суппорты возвращаются в исходное положение автоматически. Останавливается станок также автоматически, рабочий только устанавливает и снимает заготовки и пускает станок. На рис. 2.6 (см. с. 31) изображены схемы обтачивания вала на однорезцовом (рис. 2.6, а) и многорезцовом (рис. 2.6, б) токарных станках. В первом случае длина пути суппорта с резцом равна l, во втором – резцы двигаются одновременно, каждый на своем участке, и длина пути суппорта и каждого резца равна l/3, так как на суппорте установлено 3 резца. Основное время в первом случае tо 1 = l/sn; во втором случае tо2 = l/3sn, где l – длина обрабатываемой поверхности в мм, n – число оборотов шпинделя в мин, s – подача в мм/об. Еще большая экономия времени получается при обработке на многорезцовых станках ступенчатых валов, так как одновременно с обтачиванием всех ступеней производится подрезание торцов или протачивание канавок с помощью заднего суппорта. Настройка резцов производится так, чтобы обработка всех участков вала заканчивалась одновременно. На рисунке (рис. 2.6, в) резцами 1 и 2 обрабатывается ступень вала А, резцом 3 – ступень Б, резцами 4 и 5 протачиваются канавки. В этом случае все резцы заканчивают обработку одновременно. В этом случае основное время уменьшается по сравнению с работой на универсальном токарном станке благодаря сокращению длины пути резцов и их одновременной работе, вспомогательное время сокращается вследствие того, что исключается необходимость смены резцов, поворотов резцедержателя и добавочных перемещений суппорта. Основное время подсчитывается по резцу, который обтачивает наиболее длинную поверхность. Многорезцовое обтачивание вала может выполняться различными способами. Первый способ – обтачивание только с продольной подачей (рис. 2.7, а, см. с. 32). В этом случае каждый резец устанавливается на определенный диаметр. По мере продольного движения суппорта резцы последовательно вступают в работу. Длины отдельных ступеней вала, которые получаются при обтачивании вала, определяются взаимным расположением резцов. 32 а) б) в) Рис. 2.6. Схемы обработки многоступенчатого вала: а) на станке с одним резцом; б) на многорезцовом станке с продольным суппортом; в) на многорезцовом станке с продольным и поперечным суппортами Недостатки этого способа: – конструкция задней бабки станка должна пропускать суппорт с резцами; – резцы вступают в работу поочередно, радиальное усилие изменяется ступенчато и из-за упругих отжатий резцов на детали образуются ступени; – длина рабочего хода суппорта равна длине всей детали. Второй способ – обтачивание с врезанием и последующей продольной подачей (рис. 2.7, б, см. с. 32). При этом способе резцы 1, 2 и 3, расположенные, как в предыдущем примере, начинают обработку заготовки одновременно в различных точках, а не с конца вала последовательно один за другим, как при первом способе. 33 а) б) в) Рис. 2.7. Три способа обработки вала на многорезцовом станке Вначале суппорт перемещается в поперечном направлении (от специального копира или линейки), резцы врезаются на требуемую глубину, а затем суппорт движется в продольном направлении. Каждая ступень вала (l1, l2, l3) обтачивается одним резцом, вследствие чего суппорт передвигается на длину наиболее длинной ступени l1. Этот способ применим при условии, что весь припуск может быть снят каждым резцом за один рабочий ход. Третий способ – обтачивание только с поперечной подачей (рис. 2.7, в). При этом методе каждым резцом обтачивается данная ступень вала путём поперечной подачи, причем ширина каждого резца соответствует ширине обрабатываемой ступени. Этот метод имеет ограниченное применение, он используется при обработке коротких цилиндрических, конических и фасонных шеек валов. Для обработки ступенчатых валов широко используются одношпиндельные копировальные полуавтоматы. Схема обработки ступенчатого вала (рис. 2.8, см. с. 33) на копировальном полуавтомате следующая: резцом с продольного суппорта 34 обтачивается вал по копиру 2, а с поперечного суппорта формируется канавка. С поперечного суппорта выполняется и подрезка торцов. Обработка валов на этих станках имеет ряд преимуществ перед многорезцовым обтачиванием: – время для технологической наладки средней сложности в 2…3 раза меньше времени соответствующей наладке станка с многорезцовой головкой; – при чистовом точении обеспечивается точность, соответствующая 9-му квалитету, вместо 11-го при многорезцовом обтачивании; – наблюдается малое влияние упругих сжатий системы, так как при продольном точении участвует в работе только один резец; – повышается качество обработанной поверхности (отсутствуют уступы, характерные при обработке на станках с многорезцовой головкой); – обработка ведётся на более высоких скоростях резания, так как при многорезцовом точении скорость резания занижается для повышения стойкости резцов. s v s Рис. 2.8. Схема обработки заготовки ступенчатого вала на копировальном полуавтомате: 1 – барабан; 2 – копир; 3 – щуп На токарных копировальных полуавтоматах выполняется черновая и чистовая обработка валов. Эти станки применяются в серийном производстве, где они повышают производительность по сравнению с использованием обычных токарных станков с ручным управлением в 2 раза и более. При обточке валов с числом ступеней более четырех полуавтоматы работают эффективно при размере партии в 10…15 шт. В массовом производстве и крупносерийной широко используются многошпиндельные многорезцовые полуавтоматы. При изготовлении мелких валов – длиной до 150…200 мм – применяются токарные автоматы. В серийном производстве весьма эффективно применение токарных станков с гидросуппортами, а также станков с программным управлением. Токарная обработка валов в серийном производстве выполняется на станках с ЧПУ моделей 16К20Ф3, 16К20Т1.02, 1716ПФ30 и других, работающих по полу35 автоматическому циклу. Оснащенные шести и восьмипозиционными инструментальными головками с горизонтальной осью поворота или с магазином эти станки применяются для обработки заготовок со сложным ступенчатым и криволинейным профилем, включая нарезание резьбы. Наличие в головке нескольких инструментов позволяет вести многопереходную обработку поверхностей, обеспечивая устойчиво квалитет точности IT10 и выше. Схема обтачивания вала на станке с ЧПУ приведена на рис. 2.9. Рис. 2.9. Схема обтачивания вала на станке с ЧПУ: а) чистовой рабочий ход; б) нарезание резьбы 4.3. Особенности обработки гладких и нежестких валов В качестве заготовок под гладкие и нежесткие валы (соотношение длины и диаметра L/d>12) используется холоднотянутый калиброванный прокат 9–11 квалитетов точности. Высоколегированные стали не удаётся получить холодной прокаткой и в качестве заготовки используется менее точный горячекатаный прокат. Обработка заготовок нежестких валов ведётся с использованием в схеме установки дополнительных неподвижных опор и подвижных люнетов. Подготовка к использованию неподвижного люнета осуществляется следующим образом: на середине заготовки протачивается шейка под люнет с минимальным биением, к которой подводятся кулачки люнета, установленного неподвижно на станине станка, после этого производится полная обработка заготовки с обоих концов. 36 Для особо длинных валов используется подвижный люнет, который располагается на суппорте токарного станка, выполняющем подачу, при этом опорные ролики люнета контактируют с обрабатываемой поверхностью. Подвижный люнет может передвигаться по детали двумя способами: – по необработанной поверхности, перед резцом (при этом сохраняется соосность обрабатываемой и необрабатываемой поверхностей); – по обработанной поверхности, после резца (получается более высокая точность диаметра, но остается след люнета на обработанной поверхности). Также маршрут обработки нежестких валов может быть дополнен операциями промежуточной правки (если она допускается техническими требованиями). Так как настойка люнета занимает много времени, то в серийном производстве стремятся вести обработку без люнетов с использованием адаптивных систем управления станком, изменяя режимы резания в ходе обработки. При использовании станков с ЧПУ повышение точности формы шеек нежесткой заготовки достигается путем предварительного искажения управляющей программы. Резец подается не по прямой, а по вогнутой линии, которая должна представлять собой зеркальное отражение выпуклой образующий обточенного вала. Выпуклая образующая возникает из-за упругой деформации вала. 5. ЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ Черновая и получистовая обработка валов точением позволяет получать точность в пределах 10–12 квалитетов и шероховатость Rz = 10…80 мкм, что недостаточно для опорных шеек валов, посадочных диаметров под муфты, шестерни, уплотнительных буртов. Кроме этого, часто техническими требованиями задается определенная твердость поверхности обрабатываемой детали HRCэ, что в свою очередь определяет выбор методов чистовой обработки валов. 5.1. Тонкое точение валов Чистовое точение валов применяется при обработке незакаленных сталей с твёрдостью поверхности менее HRCэ 40, а также цветных металлов и сплавов. Чистовое точение позволяет получить точность 8–10 квалитета, параметр шероховатости Ra = 0,8…2,5 мкм. Как правило, чистовое точение проводится алмазными резцами или резцами, оснащенными твердым сплавом или керамикой при высоких скоростях резания (v=800…1000 м/мин) и малых подачах (S0=0,03…0,08 мм). Тонкое (алмазное) точение позволяет обеспечить точность 6–7 квалитета и параметр шероховатости Ra=0,1…0,6 мкм. Тонкое (алмазное) точение, как правило, применяется для отделочной обработки деталей из цветных металлов и сплавов (бронзы, латуни, алюминиевых сплавов и т.п.) и для деталей из высокопрочных чугунов и закаленных сталей. 37 5.2. Круглое шлифование валов При наличии в технологическом процессе операций химико-термической обработки валов в качестве чистовых методов обработки используются операции шлифования. Шлифование является наиболее универсальным методом окончательной обработки валов и может осуществляться при установке заготовки в центрах с базированием в центровые отверстия или бесцентровой установке с базированием по обрабатываемой поверхности. На операциях шлифования в зависимости от кинематической схемы, характеристики шлифовального круга и режимных параметров обработки достигается точность размеров, соответствующая 6–7 квалитетам и шероховатость Ra = 0,32…2,5 мкм. В технологических процессах изготовления деталей применяются следующие кинематические схемы обработки валов на операциях шлифования: 1. Круглое наружное врезное шлифование (рис. 2.10). Рис. 2.10. Схема круглого врезного шлифования в центрах Данным способом обрабатываются короткие жёсткие валы с длиной обработки меньше ширины круга, закреплённые в центрах или патроне с поперечной подачей шлифовального круга. Наиболее производительным является врезное шлифование в автоматическом цикле, применяемое в серийном и массовом производстве с использованием станков с ЧПУ. 2. Круглое наружное шлифование с продольной подачей (рис. 2.11). Данным способом обрабатываются длинные валы, закрепленные в центрах, с продольной подачей стола и поперечной дискретной подачей шлифовального круга, осуществляемой в конечных положениях хода стола. Если длина обрабатываемой поверхности составляет 2–3 ширины шлифовального круга, то применяется многопроходное шлифование уступами (рис. 2.12). 38 Рис. 2.11. Схема круглого шлифования с продольной подачей Рис. 2.12. Схема шлифования уступами (многопроходное шлифование) Поперечная подача осуществляется на глубину равную 0,9 толщины снимаемого припуска с перекрытием смежных шлифуемых участков на 3…10 мм. Затем с продольной подачей заготовка шлифуется в окончательный размер. 3. Торцевое шлифование с врезной подачей (рис. 2.13). Данным способом обрабатываются на валах одновременно две сопряжённые поверхности относительно небольшой длины (цилиндр и торец, конус и торец). 39 Рис. 2.13. Схема торцевого шлифования Ось шпинделя шлифовального круга располагается под углом к оси шлифуемой заготовки, и врезная поперечная подача круга осуществляется перпендикулярно его оси вращения. 4. Многокамниевое шлифование нескольких поверхностей (рис. 2.14). Данным способом обрабатываются одновременно несколько поверхностей заготовки, разнесённые одна от другой на определённые расстояния. Рис. 2.14. Схема шлифования заготовки несколькими шлифовальными кругами Каждая шлифовальная бабка станка работает независимо от другой, осуществляя поперечную подачу перпендикулярно оси вращения шлифовальных кругов. 40 5. Бесцентровое шлифование поверхностей (рис. 2.15). Рис. 2.15. Схема бесцентрового шлифования Данным способом обрабатываются валы на бесцентрово-шлифовальных станках методом врезного (с поперечной подачей) или сквозного (на проход) шлифования. Жёсткость технологической системы при бесцентровом шлифовании в 1,5– 2,0 раза выше жёсткости системы при круглом шлифовании; поэтому при бесцентровом шлифовании режимы резания повышаются в 1,5–2 раза; в то же время облегчается задача обработки нежёстких валов. Однако при шлифовании в центрах легче обеспечить меньшее отклонение от круглости и большую соосность. Бесцентровые станки легко автоматизируются и встраиваются в автоматические линии. Обрабатываемая заготовка 1 устанавливается на опорный нож 3 между шлифовальным 4 и ведущим 2 кругами (рис. 2.15) выше оси центров шлифовальных кругов. Вращение заготовки происходит за счёт сил трения между заготовкой и ведущим кругом, а продольная подача достигается поворотом оси ведущего круга на определенный угол α, который составляет 1,0º–4,5º. Благодаря этому наклону ведущий круг сообщает заготовке через силы трения движение подачи. Бесцентровым шлифованием обрабатываются гладкие валы или валы, имеющие небольшие перепады ступеней с ограниченными размерами. Бесцентровое шлифование имеет ряд преимуществ, а именно: – высокая производительность; – не требуются операции обработки центровых отверстий; – не требуются люнеты при обработке длинных нежестких валов; – достигается высокая точность при низкой квалификации рабочего; – станки легко встраиваются в автоматические линии. Недостатки бесцентрового шлифования: – требуется продолжительная настройка и регулировка станков (поэтому экономически оправдано использование только в массовом производстве); 41 – форма детали должна быть простой; – шпоночные и смазочные канавки мешают работе станка (часто делают невозможным применение бесцентровой шлифовки); – наличие отклонений от круглости на малых диаметрах. 6. ОТДЕЛОЧНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ НА ВАЛАХ Шероховатость поверхности шеек валов, получаемая на операциях шлифования (Ra = 0,32…1,25 мкм) часто бывает недостаточной для обеспечения технических требований чертежа детали, поэтому применяются дополнительные операции отделки для улучшения шероховатости поверхности. Хонингование и суперфиниширование – обработка наружных поверхностей вала абразивными и алмазными брусками. При хонинговании используются специальные самоустанавливающиеся хонинговальные головки (рис. 2.16, см. с. 40). Хонингование производится путём вращения вала, установленного в центрах станка и возвратно-поступательного движения хона вдоль его оси. 2 Рис. 2.16. Хонинговальная головка для обработки валов: 1– абразивные бруски, 2– заготовка Сущность метода суперфиниширования заключается в сглаживании поверхности обрабатываемой заготовки путём удаления мелкозернистыми абразивными брусками гребешков, оставшихся от предыдущей обработки (рис. 2.17). Одним из основных отличий, характеризующих суперфиниширование, является то, что каждое из зёрен абразивных брусков не повторяет своего первоначального пути по поверхности обрабатываемой детали. Достигается это сочетанием большого числа движений абразивных брусков в различных направлениях относительно обрабатываемой поверхности. При обработке суперфинишированием длинных шеек в режимы добавляется поступательно-возвратное движение подачи абразивных брусков (или детали) вдоль оси последней. 42 Рис. 2.17. Схема операции суперфиниширования: 1 – державка; 2 – бруски; 3 – деталь При обработке вал вращается со скоростью v = 5…10 м/мин, бруски прижимаются к поверхности с давлением 2…2,5·10-5 Па. Шероховатость получается в пределах Ra = 0,025…0,100 мкм, уменьшается овальность, огранка и волнистость. Алмазные бруски производительнее абразивных в 2…3 раза и имеют одинаковую интенсивность съёма во время обработки (у абразивных брусков интенсивность съема снижается по мере уменьшения снимаемых гребешков). Полирование осуществляется мягкими кругами (войлок, фетр, парусина, кожа), с нанесёнными на них мелкозернистыми абразивными или алмазными порошками, смешанными со смазкой. Для обработки наружных поверхностей вращения вместо кругов широко используются полировальные ленты. Достигаемый параметр шероховатости Ra = 0,01 мкм. Точность и погрешность формы определяется предварительной обработкой. Для полирования, а иногда и шлифования наружных поверхностей вращения, применяется магнитно-абразивная обработка. Обрабатываемая деталь 1 (рис. 2.18) помещается между полюсными наконечниками 2 электромагнита с некоторым зазором, в которые подаётся порошок 3, обладающий магнитными и абразивными свойствами. Силами магнитного поля зёрна порошка удерживаются в рабочих зазорах, прижимаются к поверхности детали и проводят ее полирование. В рабочие зазоры подаётся смазывающе-охлаждающее технологическое средство СОТС (эмульсия, керосин и т.д.). 43 Рис. 2.18. Схема магнитно-абразивной обработки наружной фасонной поверхности вращения: 1 – обрабатываемая заготовка;2 – полюсные наконечники электромагнита; 3 – абразивный порошок Точность размеров определяется предшествующей обработкой, достигаемый параметр шероховатости Ra = 0,025 мкм. Притирка осуществляется абразивными или алмазными пастами с помощью притиров, которые изготавливаются из чугуна, бронзы, меди, дерева, кожи. Материал притиров выбирается в зависимости от обрабатываемого материала и структуры применяемой пасты. Процесс химико-механический, так как паста кроме абразивного порошка содержит парафин и олеиновую кислоту. Последняя в несколько раз повышает интенсивность съёма за счёт образования окисных пленок на поверхности металла. Достигаемый параметр шероховатости Ra = 0,01 мкм. Поверхностное пластическое деформирование – накатывание или выглаживание поверхности валов роликами или шариками, которые располагаются в специальных накатных головках (рис. 2.19 и 2.20). Рис. 2.19. Схема накатывания поверхности шариками 44 Данный способ применяется при твёрдости обрабатываемой поверхности HRC < 50. Помимо улучшения шероховатости до Ra ~ 0,05 мкм происходит упрочнение поверхностного слоя с получением определённых сжимающих напряжений, которые компенсируют опасные растягивающие напряжения, возникающие в поверхностном слое при эксплуатации деталей. Но при этом необходимо опасаться повторного наклёпа, который может привести к поверхностному разрушению металла. V Рис. 2.20. Схема обработки центробежно-ударным инструментом: 1 – обрабатываемая деталь; 2 – инструмент центробежно-ударного действия; 3 – рабочие шарики; 4 – сепаратор В инструментах центробежно-ударного действия рабочие шарики или ролики определенной массы размещаются в радиальных пазах диска или сепаратора в определенном порядке (рис. 2.20). Это позволяет за счёт заданных частот вращения инструмента, детали и продольной подачи обеспечить необходимое число ударов определённой силы на каждый 1 мм2 обрабатываемой поверхности. Параметр шероховатости поверхности снижается с Ra = 1,0…2,5 мкм до Ra = 0,2…0,8 мкм и может достигать Ra = 0,05 мкм, поверхностная микротвёрдость увеличивается на 30…80% при глубине наклепа 0,3…2,0 мм; остаточные напряжения сжатия на поверхности достигают 400…800 МПа. Электромеханическая обработка (ЭМО) позволяет значительно повысить поверхностную твёрдость, уменьшить параметр исходной шероховатости в 5–15 раз (например, с Ra = 1 мкм до Ra = 0,08 мкм) и увеличить ее несущую способность при незначительных рабочих усилиях. Это обеспечивается нагревом зоны контакта рабочего ролика и обрабатываемой поверхности при пропускании через него тока большой силы (I = 200…1500А) (рис. 2.21). Для повышения коррозионной стойкости и износостойкости валов и штоков или отдельных их рабочих поверхностей могут применяться различные покрытия или легирование. 45 Рис. 2.21.Схема электромеханической обработки (ЭМО): 1 – обрабатываемая деталь; 2 – рабочий ролик; 3 – источник тока Как правило, гальванические способы нанесения покрытий (хромирование, кадмирование, свинцевание, никелирование) применяются для защиты от коррозии. Механические, лазерные и ионно-плазменные методы нанесения покрытий и легирования поверхностей служат для повышения износостойкости рабочих шеек валов. 7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ НА ВАЛАХ ШПОНОЧНЫХ КАНАВОК Большинство валов для передачи крутящего момента имеют на наружной поверхности конструктивный элемент в виде шпоночной канавки. Операции фрезерования шпоночных канавок выполняются в технологическом процессе перед операциями термической обработки и шлифования. Если требования по смещению шпоночного паза относительно диаметрального осевого сечения вала очень высоки (0,05 мм и выше), то «сырой» вал перед фрезерованием шлифуется для создания точной диаметральной базы. Наибольшее распространение в машиностроении получили призматические и сегментные шпонки. Шпоночные пазы для призматических шпонок могут быть сквозными, закрытыми с одной стороны и закрытыми с двух сторон (глухими) (рис. 2.22). Наименее технологичными являются глухие шпоночные пазы. Предпочтительнее применение сквозных пазов и пазов, закрытых с одной стороны, но с радиусным выходом, и пазов под сегментную шпонку. К технологическим задачам, стоящим при обработке шпоночных пазов относятся требования по точности ширины паза (по IT9), глубины паза (с рядом отклонений: +0,1; +0,2; +0,3), длины паза (по IT11…IT12). Требуется обеспечить также симметричность расположения паза относительно оси шейки, на которой он расположен. 46 а) б) г) в) д) Рис. 2.22. Виды шпоночных пазов: а) сквозной; б) закрытый с одной стороны; в) глухой; г) паз с радиусным выходом; д) паз с выходом под концевую фрезу Установка заготовок валов при обработке пазов обычно производится на призме или в центрах (рис. 2.23). Сквозные и закрытые с одной стороны шпоночные пазы изготовляются фрезерованием дисковыми фрезами (рис. 2.23, а). Фрезерование пазов производится за один – два рабочих хода. Этот способ наиболее производителен и обеспечивает достаточную точность ширины паза. Применение этого способа ограничивается конфигурацией пазов. Закрытые пазы с закруглениями на концах изготовляются концевыми фрезами за один или несколько рабочих ходов (рис. 2.23, б). Фрезерование концевой фрезой за один рабочий ход производится таким образом, что сначала фреза при вертикальной подаче врезается на полную глубину паза, а затем включается продольная подача, с которой шпоночный паз фрезеруется на полную длину. При этом способе требуется мощный станок, прочное крепление фрезы и обильное охлаждение. Для получения точных по ширине пазов применяются специальные шпоночнофрезерные станки с маятниковой подачей, работающие концевыми двуспиральными фрезами с торцевыми режущими кромками. При этом способе фреза врезается на 0,1…0,3 мм и фрезерует паз на всю длину, затем опять врезается на ту же глубину, как и в предыдущем случае, и фрезерует паз опять на всю длину, но в другом направлении (рис. 2.23, в). Отсюда и происходит определение метода – «маятниковая подача». 47 а) s б) s в) s г) Рис. 2.23. Методы фрезерования шпоночных пазов: а) дисковой фрезой с продольной подачей; б) концевой фрезой с продольной подачей; в) шпоночной фрезой с маятниковой подачей; г) дисковой фрезой с вертикальной подачей Этот метод является наиболее рациональным для изготовления шпоночных пазов в серийном и массовом производстве, так как обеспечивается необходимая точность и гарантируется полная взаимозаменяемость в шпоночном соединении при сборке. Кроме этого, поскольку фреза работает торцовой частью, она будет долговечнее, так как изнашивается не периферическая её часть, а торцевая. Недостатком этого способа является значительно большая затрата времени на изго- 48 товление паза по сравнению с фрезерованием концевой фрезой за один рабочий ход или фрезерованием дисковой фрезой. Из выше изложенного можно сделать следующие выводы: – метод маятниковой подачи применяется при изготовлении шпоночных пазов, требующих полной взаимозаменяемости при сборке или ремонте; – фрезерование шпоночных пазов за один рабочий ход возможно в тех случаях, когда допускается последующая пригонка шпонок по шпоночным пазам. Шпоночные пазы под сегментные шпонки изготавливаются фрезерованием с помощью дисковых фрез с радиальной подачей (рис. 2.23, г), но из-за большого торцевого биения фрезы сделать точный паз по ширине крайне сложно. Сквозные шпоночные пазы валов также могут обрабатываться на строгальных станках. Пазы на длинных валах, например, на ходовом вале токарного станка, строгаются на продольно-строгальном станке. Пазы на коротких валах строгаются на поперечно-строгальных станках – преимущественно в единичном и мелкосерийном производствах. 8. ОБРАБОТКА ШЛИЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ВАЛАХ При эксплуатации машин и механизмов шлицевые соединения валов и втулок имеют ряд преимуществ по сравнению с их шпоночными соединениями: – возможность передачи больших крутящих моментов; – более высокая точность по соосности валов и втулок; – отсутствие круговых люфтов при подвижных посадках; – взаимозаменяемость (как, для большинства шпоночных соединений требуются пригоночные ручные работы). По форме профиля шлицевые соединения разделяются на прямоугольные соединения (рис. 2.24, а), эвольвентные (рис. 2.24, б) и треугольные (рис. 2.24, в). а) б) в) Рис. 2.24. Шлицевые соединения вала и отверстия: а) прямоугольные, б) эвольвентные, в) треугольные Применяются три способа центрирования прямоугольных шлицевых соединений. Центрирование по наружному диаметру используется в том случае, когда твёрдость отверстия втулки невысокая и его можно обработать протяжкой, а вал не подвергается значительным деформациям при термической обработке. 49 Центрирование по внутреннему диаметру осуществляется при высокой твёрдости отверстия и значительных деформациях вала, для устранения которых требуются операции шлифования. Центрирование по ширине шлица применяется при высокой твёрдости отверстия и необходимости минимальных зазоров по боковым поверхностям. Центрирование эвольвентных и треугольных шлицевых соединений производится только по профилю шлицев с гарантированными зазорами по диаметрам впадин и выступов. 8.1. Технология обработки шлицев на валах при центрировании по внутреннему диаметру Предварительная обработка шлицевых поверхностей на валах осуществляется методом деления или методом обкатки. Методом деления шлицы фрезеруются в единичном и мелкосерийном производстве на горизонтально-фрезерных станках набором фрез или фасонными фрезами (рис. 2.25). Рис. 2.25. Фрезерование шлицев профильной дисковой фрезой Точность обработки при данном методе зависит от точности делительного устройства станка и точности изготовления профиля фасонной фрезы. В серийном и массовом производстве используется метод обкатки. Шлицы нарезаются на шлицефрезерных и зубофрезерных станках однозаходной червячной фрезой, профиль которой при обкатке с обрабатываемой заготовкой образует шлицы требуемой формы и размеров (рис. 2.26, см. с. 48). 50 V Vд Рис. 2.26. Фрезерование шлицов червячной фрезой по методу обкатки При этом червячная фреза должна иметь усики, вырезающие канавки у основания шлицев, необходимые для выхода шлифовального круга при окончательной обработке впадин шлицев вала. По сравнению с методом деления метод обкатки червячной фрезой более производителен и точен. Короткие шлицы на концах валов у выступов, не позволяющих использовать фрезу, обрабатываются на зубодолбежных станках специальными долбяками. После фрезерования точность обработки шлицев составляет 9–10 квалитет, а шероховатость по боковой поверхности Ra ~ 10 мкм, по внутреннему диаметру Ra ~ 5 мкм, что является недостаточным для шлицевого соединения. Поэтому в технологический процесс вводятся операции предварительной химико-термической обработки (объёмная закалка, закалка ТВЧ, цементация) и операции шлифования. Шлифование шлицев осуществляется на шлицешлифовальных станках одним профильным кругом (рис. 2.27). Для этого метода характерна простота наладки и обеспечение точности взаимного расположения поверхностей. Размерная точность повышается до 8 квалитета, шероховатость Ra = 0,63 мкм по внутреннему диаметру и Ra = 1,25 мкм по боковым поверхностям. Vд Рис. 2.27. Шлифование шлицев на валу профильным кругом 51 8.2. Технология обработки шлицев на валах при центрировании по наружному диаметру Предварительная обработка шлицевого вала аналогична обработке при центрировании вала по внутреннему диаметру (раздел 8.1), единственное отличие заключается в том, что на червячной фрезе нет усиков для нарезания канавок во впадинах, зато есть у основания зубьев фрезы фланк для обработки фасок на вершинах шлицев. При этом методы обработки используются те же самые: деление и обкатка. После операции термообработки осуществляется шлифование наружной поверхности вала на кругло-шлифовальных станках по схемам, описанным в разделе 5.2. При назначении режимов резания на операциях шлифования подача уменьшается на поправочный коэффициент, учитывающий прерывистость обрабатываемой поверхности. 8.3. Технология обработки шлицев на валах при центрировании по боковым сторонам Предварительная обработка шлицевого вала аналогична обработке при центрировании по внутреннему диаметру (раздел 8.1). После операции термообработки шлицы вала шлифуются на специальных шлифовальных станках периферией или торцом круга (рис. 2.28). Однако технологически трудно управлять размерами ширины шлица из-за невозможности обеспечения требуемого размера при имеющейся схеме базирования (по центровым отверстиям – ось вала скрытая технологическая база) и неравномерного износа шлифовального круга. Поэтому данная посадка вала и отверстия применяется крайне редко, в основном в технологических соединениях. S S а б Рис. 2.28. Шлифование боковых поверхностей шлицев: а) периферией круга; б) торцом круга 52 8.4. Технология обработки шлицев на валах методами накатывания Формирование шлицев на наружных поверхностях валов может осуществляться методами накатывания без последующей термообработки и шлифования. Накатывание может проводиться на «холодной» заготовке или предварительно нагретой. Наиболее эффективным способом нагрева является индукционный высокочастотный нагрев, позволяющий за счёт быстрого нагрева уменьшить толщину слоя окалины. Формирование шлицев осуществляется по двум кинематическим схемам: методу копирования (деления) и методу обкатки профиля. Метод копирования применяется для образования прямобочных и треугольных шлицев значительной глубины при малом количестве зубьев. К этому методу относятся такие процессы, как: продавливание через матрицу, ротационное обжатие пуансонами, ударное накатывание, продольное накатывание многороликовыми головками. Профиль впадин шлицев при этом методе полностью копирует профиль накатного инструмента. Метод обкатки применяется для образования треугольных и эвольвентных шлицев. К этому методу относятся: накатывание зубчатыми роликами, рейками (аналогично накатыванию резьбы), пуансонами, поперечное и поперечновинтовое накатывание. Профиль шлицев при этом получается, как огибающая поверхность последовательных положений инструмента. Процесс накатывания (рис. 2.29) производителен и достаточно точен, но недостаточная жёсткость основных узлов станка, отсутствие надежной системы синхронизации вращения роликов – основные недостатки этого способа. Поэтому накатываются обычно только мелкие (до m = 1 мм) шлицы ограниченной длины. Vд Vр Рис. 2.29. Схема обработки шлицев методами накатывания: а) методом копирования многороликовой головкой; б) методом обкатки цилиндрическими роликами 53 9. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ВАЛОВ Точность изготовления валов проверяется в определенной последовательности. Сначала определяется правильность формы поверхностей, затем их геометрические размеры и потом уже их положение. Такая последовательность необходима для того, чтобы была возможность путём исключения ошибок измерять с наибольшей точностью тот параметр, который необходимо проверить. Измерительными базами при контроле валов обычно являются центровые отверстия, торцы и поверхность опорных шеек. Правильность геометрической формы проверяется индикатором в нескольких сечениях, перпендикулярных оси вала. Отклонения образующей цилиндрической поверхности от прямолинейности проверяются также индикатором, наконечник которого проводится по образующей поверхности параллельно оси вала. По разности наибольшего и наименьшего показаний судят об ошибке отклонения от параллельности. Диаметральные размеры в зависимости от степени точности и величины диаметра проверяются предельными калибрами (скобами), штангенциркулями, микрометром (до 0,01 мм), пассаметром (до 0,002 мм) или микротастом (до 0,001 мм). Затем производится контроль правильности положения поверхностей относительно оси вращения вала. Величина отклонения контролируемой поверхности от допуска соосности с осью вращения вала проверяется индикатором при вращении вала вокруг оси. Такую проверку необходимо производить в двух крайних сечениях контролируемой поверхности. Шероховатость поверхности контролируется преимущественно сравнением с эталонными образцами. Рис. 2.30. Устройство для контроля прерывистых поверхностей: 1 – верхняя подвесная губка; 2 – измерительный стержень; 3 – спиральная пружина 54 Промежуточный контроль валов может осуществляться в процессе обработки с использованием приборов активного контроля: двух или трёхконтактных скоб, принцип действия которых основан на прямом методе измерения. Валы с прерывистой поверхностью (шлицевые валы и валы со шпоночными пазами) обычными устройствами активного контроля не измеряются. Для них используются устройства с наконечниками специальной формы (дуговые наконечники), перекрывающие разрывы (канавки) на поверхности (рис. 2.30). 55 III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГООСНЫХ ДЕТАЛЕЙ 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ» 1.1. Типовые технологические требования, предъявляемые к коленчатым валам Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных деталей поршневых двигателей внутреннего сгорания. Коленчатые валы двигателей обычно имеют несколько (2–8) коренных шеек и до 8 шатунных шеек. Основными элементами коленчатого вала (рис. 3.1) являются: – коренные (или опорные) шейки, расположенные на оси вращения вала, через которые он сопрягается с вкладышами картера; – шатунные шейки, расположенные в коленах, через которые вал сопрягается с шатунами; – щёки, соединяющие между собой коренные и шатунные шейки; – передний и задний концы вала, предназначенные для передачи движения механизмам внутри двигателя и к наружному приводному механизму. Рис.3.1. Основные элементы коленчатого вала Задний конец коленчатого вала имеет фланцевое или шлицевое исполнение. В местах переходов от шеек к щекам и фланцу имеются галтели, необходимые для снижения концентраций напряжений. Сочетание шатунной шейки со щеками называются коленом или кривошипом. 56 Кривошипы могут располагаться относительно друг друга под углом 90º, 120º или 180º. Щёки коленчатого бывают круглые, овальные или прямоугольные. Для снижения массы вала на щеках, в ненагруженных местах снимаются фаски, или скосы. На щеках в некоторых случаях устанавливаются противовесы, которые могут быть насадными (посадка с натягом) или крепиться болтами резьбовым соединением. Основные технические требования, предъявляемые к коленчатым валам: 1. Твёрдость шеек, подвергаемых закалке, должна быть не менее 52 ед. HRCэ. При этом галтельные переходы не должны подвергаться закалке; 2. Шероховатость цилиндрических поверхностей шеек диаметром до 100 мм должна быть Ra ~ 0,32 мкм; диаметром более 100 мм – Ra ~ 0,63 мкм; 3. Диаметры коренных и шатунных шеек должны выполняться по 6–7-му квалитету точности. Отклонения от круглости при этом должны соответствовать 5–6му квалитету точности; 4. Биение коренных шеек относительно оси вала не должно превышать 0,003 мм для шеек диаметром до 100 мм, и 0,004 мм для шеек диаметром более 100 мм. 5. Отклонение радиуса кривошипа допускается не более ± 0,15 мм на 100 мм длины радиуса. При этом смещение углов между коленами кривошипов допускается не более ± 30’ по всей длине вала; 6. Допуск параллельности шатунных шеек относительно соседних коренных шеек до 0,03 мм; 7. Биение торца соединительного фланца крепления маховика должно быть не более 0,005 мм на 100 мм диаметра фланца; 8. Коленчатый вал должен быть динамически сбалансирован. Величина дисбаланса должна находиться в пределах 20–70 г/см. Большие значения дисбаланса допускаются при частотах вращения вала менее 1500 об/мин. 1.2. Способы получения заготовок и исходные материалы для коленчатых валов Коленчатые валы в зависимости от напряженности могут изготавливаться из углеродистых сталей 45, 45А, 40Х, 45Г2, 50Г и др. Для более нагруженных дизельных двигателей применяются легированные стали 18ХНМА, 40ХНМА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА и др. Хромоникелевольфрамовая сталь 18Х2Н4ВА отличается особенно высокой прочностью (твердость НВ 321…381) и ударной вязкостью. Поверхностная твёрдость и износостойкость углеродистых сталей повышается термической обработкой с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Твёрдость и усталостная прочность поверхностного слоя валов из высоколегированных сталей 40ХМА, 18Х2Н4ВА обеспечиваются азотированием. В качестве материала для коленчатых валов применяется и высокопрочный чугун с шаровидной формой графита. Такие чугуны содержат 0,2…0,25% Cr, 1,15…1,4% Mn, не более 0,002…0,140% S, а также незначительное количество церия и других легирующих элементов. Механические свойства таких чугунов близки к свойствам высококремнистой стали. Материал имеет высокие эксплуа57 тационные качества и хорошо обрабатывается режущим инструментом. Применяются и серые чугуны, модифицированные сплавом ферроцерия с магнием. Заготовки стальных коленчатых валов изготовляются штамповкой на молотах и прессах по 8–9-му классам точности. При серийном производстве заготовки штампуются на молотах, а при массовом – обычно на ковочных прессах. Штамповка на ковочных прессах в 1,5–2 раза производительнее, она обеспечивает уменьшение штамповочных уклонов до 3–6о, припусков на механическую обработку на 30–40% и расхода металла на 10–12 %. Исходным материалом для штамповки служит квадратный или круглый катаный пруток или периодический фасонный прокат. Наиболее экономично применение фасонного проката (масса исходной заготовки уменьшается на 5–8%). Наибольшее распространение получил следующий процесс штамповки заготовок. После подогрева и разрезки прутков на штанги заготовки с противовесами штампуют за две операции, без противовесов – за одну операцию. В первом случае заготовки сначала штампуются в двух ручьях (подкатном и гибочном), затем в одном ручье (окончательном). Во втором случае заготовки обрабатываются в трёх ручьях: подкатном, гибочном и окончательном. Применение гибочного ручья исключает перерезание волокон в местах сопряжения шеек вала со щеками. Фланцы обычно высаживаются на горизонтально-ковочных машинах (рис. 3.2). а) б) в) г) д) Рис.3.2. Последовательность формообразование заготовки коленчатого вала при штамповке на прессе: а) заготовка для штампования; б) гибка; в) предварительное и окончательное штампование; г) обрезание заусенец; д) высадка фланца на горизонтальноковочной машине Заготовки литых валов получаются литьём в песчаные или оболочковые формы. Литьё в оболочковые формы обеспечивает квалитет точности IT12…IT14 с припусками на обработку 1,5…3 мм. Это позволяет отдельные поверхности ос58 тавлять черными и начинать обработку шеек шлифованием. Из-за высокой износоустойчивости чугуна валы иногда не подвергаются термической обработке. Чугунные литые коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей по некоторым показателям превосходят стальные штампованные валы. Масса литых коленчатых валов на 10–15% меньше, чем штампованных. Припуски на механическую обработку у литых заготовок значительно меньше, чем у штампованных заготовок. 1.3. Особенности методов базирования коленчатых валов Коленчатый вал является нетехнологичной деталью вследствие недостаточной жесткости и сложности конструкции. При обработке вал легко деформируется под действием радиальных и осевых нагрузок, возникающих в процессе его закрепления и в процессе обработки. Коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей изготавливаются в крупносерийном и массовом производствах на поточных или автоматических линиях по типовым технологическим процессам (ТП). В качестве технологических баз для обработки коренных шеек и других поверхностей принимаются центровые отверстия, на которых выполняется черновая, чистовая и отделочная обработки, сохраняя при этом принцип постоянства баз. Соответственно шатунные шейки обрабатываются при базировании по коренным шейкам, что обеспечивает их параллельность и точность радиуса кривошипа. Угловыми базами служат обработанные площадки на противовесах или поверхностях кривошипов. В качестве базы по длине используются поверхности щёк коренных и шатунных шеек. Обработка шатунных шеек (особенно у длинных валов) проводится на оборудовании, имеющем синхронный привод передней и задней бабок, что позволяет избежать «скручивания» вала. На точность обработки влияют усилия закрепления на отдельных операциях. Так, при шлифовании коренных шеек коленчатых вал должен устанавливаться в центрах без пережима, т.е. правильно установленный вал должен свободно вращаться от руки и не иметь качаний в осевом направлении. Для этого пиноль задней бабки шлифовального станка должна иметь специальный тарированный маховик, настроенный на определённое усилие. Опорные поддерживающие люнеты тоже должны иметь тарированное усилие поджима вала с возможностью постоянного поддерживания оси шейки вала в общей оси центров при постоянном уменьшении диаметра шейки. Воздействие сил резания на отдельных операциях вызывает деформацию вала, что вынуждает включать в техпроцесс обработки многократные правки на прессах. Действующие технологические процессы изготовления отдельных валов включают 6…10 правок. В то же время каждая правка вызывает дополнительные внутренние напряжения, которые могут привести к неконтролируемой деформации вала на последующих операциях и даже в процессе его эксплуатации в двигателе. С этих позиций количество правок следовало бы снижать, но сокращение 59 или полное исключение правок приводит к увеличению межоперационных припусков на обработку, а, следовательно, к увеличению общего припуска и трудоемкости механической обработки. 1.4. Типовой технологический процесс изготовления коленчатого вала в серийном производстве Технологическая схема изготовления стальных коленчатых валов из штампованной заготовки состоит из следующих основных операций: 000 Заготовительная операция (штамповка с последующей нормализацией). 005 Фрезерно-центровальная операция (заготовка устанавливается в призмы по коренным шейками 1 и 5 и ориентируется по оси упором в торец щеки шейки 3). 60 010 Токарная операция (установка заготовки в центрах с упором в торец фланца, осуществляется проточка цилиндрического хвостовика вала с целью создания линейных технологических баз). 015 Токарная операция (по схеме базирования и закрепления аналогична 010, на этих операциях осуществляется переход от одних баз к другим, т.е. от центровых отверстий к цилиндрическим поверхностям цапф коленчатого вала). 61 020 Фрезерная операция (обработка вспомогательных баз для угловой ориентации вала при обработке шатунных шеек, площадок на щеках или отверстий в них). 025, 030 Фрезерные операции (вал устанавливается на цилиндрические поверхности цапф с упором в одну из щёк, угловое положение сориентировано упором по площадке на щеках шатунных шеек, фрезеруются коренные шейки и смежные с ними торцы щек методами наружного или внутреннего фрезерования). 62 При наружном фрезеровании коленчатый вал вращается и обрабатывается вращающейся резцовой головкой с наружным расположением режущих пластин, за один оборот вала полностью обрабатывается одна шейка с галтелями и торцами щек. При внутреннем фрезеровании коленчатый вал неподвижен и закреплен патронами по концам, резцовая головка виде полого барабана с внутренним расположением режущих пластин охватывает вал и, вращаясь вокруг него, производит обработку шейки, галтелей и торцов. 035, 040 Фрезерные операции (осуществляется обработка шатунных шеек, схема базирования, оборудование и инструмент аналогичны операции 025, 030, принципиальным отличием является то, что в процессе обработки здесь формируется размер 6, определяющий величину радиуса кривошипа коленчатого вала). Этот размер обеспечивается за счёт того, что зажимные патроны шпинделей передней и задней бабок станка смещены относительно оси вращения шпинделя на величину этого радиуса. Соответственно на операции 035 они оба смещены в одну сторону, а на операции 040 в противоположную сторону. На всех четырех операциях 025–040 обработка ведётся с использованием подводимых опор (люнетов), устанавливаемых под обрабатываемую поверхность и без охлаждения. В качестве инструментов используют трехсторонние дисковые фрезы со СМП из трехкарбидных сплавов группы ТТК (титан-тантал-кобальт). 63 045, 050 Токарные операции (вал устанавливается в специальные неподвижные люнеты на коренные шейки 5 соосно оси шпинделя станка, осуществляется восстановление технологических баз). 055 Токарная операция (обработка отверстий в шейках, маслопроводящих каналов в щеках и шейках). В шатунных шейках необходимо обрабатывать наклонные маслопроводящие каналы диаметром 6–10 мм, длиной 100–220 мм, а в коренных шейках – маслопроводящие отверстия диаметром 7–10 мм, длиной 25–40 мм. Во фланце обрабатываются обычно 4–6 крепежных отверстий диаметром 14–18 мм. На переднем конце вала обрабатываются также шпоночные пазы под шпонки ведущей шестерни распределения и шкива вентилятора. В мелкосерийном производстве обработка маслопроводящих отверстий проводится на радиально-сверлильных станках в поворотных приспособлениях, которые позволяют устанавливать вал в требуемом положении. В крупносерийном и массовом производствах используются специальные многошпиндельные станки с периодическими отводами сверл для удаления стружки. 060 Термическая операция (осуществляется закалка шеек на установках ТВЧ и последующий низкотемпературный отпуск). Закалка шеек осуществляется во вращающихся индукторах на специальных установках, позволяющих вращаться заготовке вокруг оси коренных шеек. При этом индуктора, установленные на коренные шейки неподвижны относительно заготовки, а индуктора, установленные на шатунные шейки, совершают планетарное перемещение вместе с шатунной шейкой. Режимы закалки: величина силы тока, время разогрева поверхности шейки, частота ее вращения – подбираются индивидуально в процессе настройки. Ре64 жимы закалки зависят от материала заготовки и её размеров. Обычно закалка осуществляется до твёрдости более 52 HRCэ. После закалки заготовки подвергаются низкотемпературному отпуску в проходной печи. Отпуск осуществляется в течение 3…6 часов при температуре 180…250ºС. 065, 070 Шлифовальные операции (предварительное шлифование коренных шеек вала, базирование осуществляется по центровым отверстиям и торцу обрабатываемой коренной шейки 5 в центрах круглошлифовального станка, отличием одной операции от другой являются размеры шлифовального круга). 075 Шлифовальная операция (осуществляется попарное шлифование шатунных шеек I, II, III, IV, на специальных круглошлифовальных станках с механизмом, синхронизирующим вращение шпинделей передней и задней бабок, при этом вал базируется по цилиндрическим поверхностям коренных шеек 5 с упором в торец щеки). Шлифование шеек осуществляется последовательно за счёт изменения положения заготовки в патронах станка. В первом положении шлифуется шейки I и IV, во втором (противоположном) шейки II и III. В каждом положении заготовка вращается вокруг оси шлифуемой поверхности. В связи с этим патроны станка модели ХШ2-02 снабжены противовесами, позволяющими уравновесить заготовку и приспособление в процессе обработки. Режимы шлифования шатунных шеек аналогичны режимам, используемым при шлифовании коренных шеек. 65 080 Токарная операция (обработка отверстия на конце вала и восстановление технологических баз путём расточки центровых отверстий). 085 Шлифовальная операция (чистовая обработка коренных шеек и фланца). 090 Шлифовальная операция (чистовая обработка шатунных шеек). 095 Суперфиниширование (или микрофиниширование). 66 Суперфиниширование шеек осуществляется головками с абразивными брусками. Для суперфиниширования обычно применяются бруски сечением 20×20 мм из белого электрокорунда. Для процесса предварительного суперфиниширования применяются бруски твёрдостью 83–88 и зернистостью 500, для окончательного – соответственно 77~82 и 600 и выше. Шероховатость поверхности после суперфиниширования соответствует 10–13-му классу. В последние годы при окончательной обработке шатунных и коренных шеек применяется новый метод – микрофиниширование. Созданы специальные станки, в которых обеспечивается согласование в процессе обработки следующих параметров: частоты, амплитуды колебания и направления движения брусков, удельного давление брусков на обрабатываемую поверхность и окружной скорости обрабатываемой поверхности. Благодаря сочетанию движения брусков в разных направлениях и вращению заготовки следы обработки перекрещиваются, и это повышает чистоту поверхности. Процесс микрофиниширования проводится при незначительных давлениях брусков на обрабатываемую поверхность с частотой 500–1500 колебаний в минуту и амплитудой 3–5 мм. Окружная скорость вращения обрабатываемых заготовок равна 18–40 м/мин. При микрофинишировании снимается припуск 0,012– 0,015 мм на сторону. Для смывания с заготовки отходов, получаемых в процессе обработки, используется состав, состоящий из 10–20% минерального масла и 80– 90 % керосина. Микрофиниширование улучшает геометрическую точность, чистоту и качество поверхностного слоя (высота шероховатостей с 0,4 мкм уменьшается до 0,02 мкм). 100 Операция динамической балансировки. Динамическая балансировка выполняется на двух автоматических линиях, в два приёма. Исходный дисбаланс коленчатых валов достигает 3000 – 1500 Г·см; конечный дисбаланс у большинства коленчатых валов, работающих при 3000– 5000 об/мин, составляет 15–20 Г·см. Первая балансировка выполняется с точностью 300 Г·см на каждом конце вала, а вторая обеспечивает точность 30 Г·см на каждом конце вала. Дисбаланс устраняется за счёт высверливания металла из противовеса. При балансировке коленчатого вала все его внутренние полости и каналы заполняются маслом, резьбовые отверстия в шатунных шейках и выходы каналов закрываются технологическими пробками. Динамическая балансировка позволяет определить величину действующих неуравновешенных сил по торцам вала и координаты их углового положения. По результатам балансировки задаётся программа высверливания лишнего металла. Предварительное устранение дисбаланса осуществляется радиальным сверлением отверстий диаметром 20 мм на определенную глубину в крайних противовесах вала. Окончательная балансировка производится за счёт сверления отверстий диаметром 12 мм в средних противовесах. В конструкции коленчатого вала должны быть предусмотрены две полости для устранения дисбаланса, которые имели бы достаточные припуски для удаления необходимого металла без нарушения прочности вала. 67 Таким образом, приведённая типовая технология изготовления коленчатого вала содержит несколько групп технологических операций. Каждая из этих групп удовлетворяет требованиям по обеспечению геометрической точности коленчатых валов, объединённых общими конструктивными признаками. Это позволяет осуществлять достаточно быстрый переход с обработки коленчатого вала одного типоразмера на другой, что, в конечном счёте, повышает гибкость производства, позволяет выпускать гамму деталей различных типоразмеров на одном и том же технологическом оборудовании. 1.5. Контроль качества коленчатых валов Коленчатые валы неоднократно проверяются службой ОТК в процессе изготовления после наиболее ответственных операций. Промежуточный контроль предупреждает попадание бракованных заготовок на последующие операции и помогает управлять процессом изготовления. Контроль коленчатых валов весьма трудоёмок, так как в общей сложности контролируется около сотни различных показателей качества. При окончательном контроле обычно проверяются: – диаметры коренных и шатунных шеек с помощью индикаторных скоб (скобы настраиваются по жёстким установочным мерам, точность отсчёта показывающих приборов должна быть не более 1/5 допуска на диаметр); – геометрические параметры шеек: прямолинейность образующей (отсутствие бочкообразности, седлообразности) контролируется на краску жесткими калибрами, представляющими собой полукольцо высотой на 2…3 мм меньше половины диаметра шейки (хорошо выполненная шейка имеет ровный, непрерывный отпечаток краски по всей поверхности); – линейные размеры от базового торца с помощью специальных облегченных скоб или в приспособлении с осевым упором; – взаимное расположение коренных и шатунных шеек в приспособлении с помощью индикаторов, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Контроль на отсутствие трещин проводится методом магнитно-порошковой дефектоскопии (МПД) или методом люминесцентной цветной дефектоскопии. Коленчатый вал подлежит обязательному размагничиванию. Величина остаточного магнетизма контролируется тонкой стальной иглой. Деталь считается размагниченной, если игла к ней не притягивается. 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ПОРШЕНЬ» 2.1. Типовые технические требования, предъявляемые к поршням Конструктивно поршни представляют собой полый цилиндр с днищем и бобышками (рис. 3.3, см. с. 69), в которых имеется отверстие под поршневой палец. Условно поршень разделяется на головку, в которой установлены поршневые 68 кольца, и юбку (нижняя часть поршня). Поршни имеют сплошные юбки в виде стакана или вырезанные. В последнем случае юбка выполняется в виде двух козырьков, расположенных в плоскости, перпендикулярной к оси поршневого пальца. Наружная поверхность днища поршня выполняется плоской или имеет специальные углубления. Головку поршня выполняется цилиндрической, а юбке придаётся овально–бочкообразная форма, либо она изготавливается с переменной овальностью по своей длине. Разность размеров юбки по большой и малой осям овала составляет 0,15…0,35 мм в зависимости от диаметра поршня. Рис. 3.3. Основные элементы поршня: 1 – головка; 2 – юбка (тронк); 3 – днище; 4 – жаровой (огневой) пояс; 5 – уплотняющие пояса; 6 – бобышки с отверстиями для поршневых пальцев Основные технические требования, предъявляемые к поршням при их изготовлении, состоят в обеспечении следующих параметров: – точности наружной поверхности поршня (у современных конструкций двигателей может достигать 6 – 7 квалитетов); – точного отверстия под поршневой палец, расположенного перпендикулярно образующей цилиндрической части (с допустимым отклонением 0,01…0,05 мм) и несимметричностью расположения его в пределах 0,05…0,20 мм относительно общей оси; – перпендикулярности боковых поверхностей канавок под поршневые кольца (допустимое отклонение в пределах 0,03…0,07 мм на длине замера 25 мм); – точного расположения оси поршневого пальца от днища поршня, что определяет объём камеры сжатия (допуск на размер в пределах ± 0,05…015 мм); – веса поршня после обработки в пределах ТТ чертежа (требования по отклонению веса обработанного поршня от номинала должно обеспечиваться в пределах ± 20 гс, а допуск по весу одного комплекта поршней на двигатель может достигать 5гс). 69 Величина шероховатости обработанных поверхностей Rа = 0,8…1,25 (2,5) мкм. В отдельных конструкциях поршней шероховатость отверстия под поршневой палец достигает Ra = 0,63 мкм. Требования по шероховатости днища поршня зависят от вида топлива, особенностей формообразования факела и колеблются в пределах Ra = 0,8…2,5 мкм. 2.2. Способы получения заготовок и исходные материалы поршней В качестве материалов для поршней двигателей используются специальные сплавы из алюминия типа АЛ25, АЛ30, АЛ1, АК10М2Н, легированные серые и высокопрочные чугуны типа СЧ24 – СЧ45 и ВЧ45, а для изготовления головок составных поршней используются жаростойкие стали типа 20Х3МВФ. Заготовки поршней в основном получаются литьём в кокиль на специальных карусельных кокильных автоматах, обеспечивающих высокий уровень точности и стабильности процесса. В некоторых случаях для алюминиевых деформируемых сплавов типа АК12Д используется метод жидкой штамповки. Однако, заготовки, полученные методом жидкой штамповки, не имеют предварительно оформленного отверстия под поршневой палец. 2.3. Технологические особенности базирования поршней Основные обрабатываемые поверхности поршня являются поверхностями тел вращения, и их обработка проводится главным образом на станках токарной и расточной групп. Вне зависимости от объёмов выпуска поршней и схем организации процесса обработки (на поточной или автоматической линии) применяются две схемы базирования (рис. 3.4, а и 3.4, б): – на технологическую выточку и торец со стороны юбки поршня с креплением через отверстие под поршневой палец; – на технологическую выточку, торец со стороны юбки и центровое отверстие со стороны днища поршня. а) б) Рис. 3.4. Варианты базирования поршней при механической обработке Первый вариант базирования характерен для коротких поршней (L/D ≤ 1,2), второй – для длинных поршней. 70 На определенном этапе обработки могут использоваться оба варианта базирования. Искусственно созданный прилив с центровым отверстием в дальнейшем удаляется. Величина допуска на диаметр базового пояска чертежом поршня не устанавливается, а назначается технологически. В общем случае допуск назначается технологически исполнимый, но не более чем 1/2 допуска соосности внутреннего диаметра канавок под поршневые кольца к общей оси цилиндрической наружной поверхности поршня. Для выполнения ряда операций необходимо на поршне иметь угловую базу. Такой базой могу служить торцевые поверхности приливов под поршневой палец, если на поверхности юбки нет других конструктивных элементов (рис. 3.5). Рис. 3.5.Угловые технологические базы на поршне 2.4. Типовой технологический процесс изготовления поршня в серийном производстве 000 Заготовительная операция (литьё в кокиль с последующим удалением литника и зачисткой заусенцев, возможна термообработка заготовки для стабилизации структуры металла и снятия внутренних напряжений в виде отжига). 005 Токарная операция (состоит в обработке наружной поверхности поршня для обеспечения равностенности и контроля массы заготовки). 71 010 Токарная операция (создание вспомогательных технологических баз для последующей обработки). 015 Токарная операция (производится предварительная обработка отверстия под поршневой палец: сверление, зенкерование, развертывание или растачивание для заготовок с отверстием, и растачивание стопорных канавок). Обработка выполняется на специальных агрегатных станках с точностью исполнения размеров не ниже 9 квалитета. 020 Токарная операция (производится предварительное точение канавок под поршневые кольца, окончательное точение днища поршня). 025 Сверлильная операция (производится сверление дренажных отверстий для масла в кольцевых канавках). 030 Сверлильная операция (производится сверление отверстий для смазки, выходящих в отверстия под поршневой палец). 035 Фрезерная операция (обработка выточек для клапанов на днище поршня). 72 040 Токарная операция (производится чистовая обработка наружной поверхности поршня и канавок под поршневые кольца). Чистовая обработка наружной овально-бочкообразной формы может выполняться на специальных станках по копиру с жесткой схемой «копир-щуп – заготовка-резец» (рис. 3.6) или на станках с системой ЧПУ, оснащенных дополнительной приставкой. Рис. 3.6. Кинематическая схема обработки поверхности поршня по жесткому копиру: 1 – жесткий копир; 2 – щуп; 3 – заготовка поршня; 4 – резец По схеме обработки на рис. 3.6 копир и заготовка вращаются с одинаковой угловой скоростью. Перемещение щупа в горизонтальной плоскости вызывает перемещение резца на ту же величину. Щуп прижимается к копиру пружиной или гидроцилиндром. При обработке овально-бочкообразной поверхности коротких поршней копир и заготовка поршня могут располагаться на одной оси последовательно. Достоинством подобной схемы обработки является относительная простота конструкции станка. К недостаткам относятся: сложность изготовления копира, неточности полученного профиля на поршне вследствие несовпадения точки контакта щупа и вершины резца в горизонтальной плоскости и смещение профиля по углу из-за не жёсткости системы рычагов в связке «копир-резец». При установке копира и поршня на одной оси последний из перечисленных недостатков (смещение по углу) снимается. Всех этих недостатков практически лишена схема обработки на станках с ЧПУ. Дополнительное устройство, которым могут быть оснащены серийно выпускаемые станки, имеет дискретность перемещений порядка 2…5 мкм, что позволяет весьма точно воспроизводить заданный чертежом профиль поршня. Кроме того, при этом способе возможно совмещение обработки наружной поверхности с чистовой обработкой канавок под поршневые кольца. 045 Расточная операция (чистовое растачивание отверстий под поршневой палец и канавок под стопорные кольца). Выполняется на специальных прецизионных алмазно-расточных станках. В качестве баз используется наружная поверх73 ность юбки и днище поршня, что обеспечивает высокую точность взаимного расположения оси поршня с осями отверстий под поршневой палец. 050 Отделочная операция (раскатка отверстия под поршневой палец). Выполняется на специальном станке жесткой роликовой ли шариковой раскаткой с обеспечением шероховатости в пределах Ra = 0,63…0,8 мкм. 055 Подгонка поршней по весу, сортировка с маркированием весовой группы. Приведенная выше технология обработки поршня носит рекомендательный характер и не включает в себя моечные и слесарные операции, операции по снятию фасок и промежуточного контроля. 2.5. Контроль качества поршней Механическая обработка поршней в основном осуществляется на комплексных автоматических линиях, при этом контроль большинства параметров поршней в процессе обработки затруднен или невозможен. Поэтому контроль осуществляется поэлементно вне автоматической линии. Для комплексного окончательного контроля используются многомерные автоматизированные приспособления (рис. 3.7). Рис. 3.7. Многомерное приспособление для контроля поршней Для контроля и корректировки веса используются специальные весы, оснащенные расточным инструментом для удаления излишков металла с юбки порш74 ня или внутренних бобышек для поршневого пальца (рис. 3.8). Точность подгонки по весу составляет ± 2 г. Рис. 3.8 Весы для контроля и регулировки веса поршня Для контроля и корректировки веса используются специальные весы, оснащенные расточным инструментом для удаления излишков металла с юбки поршня или внутренних бобышек для поршневого пальца (рис. 3.8). Точность подгонки по весу составляет ± 2 г. 3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ШАТУН» 3.1. Типовые технические требования, предъявляемые к шатунам Шатуны являются передаточными звеньями шатунно-кривошипных механизмов различных машин, в основном поршневых двигателей внутреннего сгорания и компрессоров. При работе машины шатун находится под действием знакопеременных сил. Для сопротивления действующим силам и уменьшения влияния сил инерции шатун должен иметь достаточную жесткость, прочность и возможно меньший вес. Общность служебного назначения определяет и основную общность конструкции различных шатунов, которая характеризуется наличием кривошипной (большой) и поршневой (малой) головок, соединенных стержнем (рис. 3.9, см. с. 76). Однако конструкция этих основных частей шатунов бывает различна. У большинства шатунов кривошипные головки работают на шейках коленчатых валов с трением скольжения и делаются разъемными. Кривошипные головки шатунов мотоциклетных двигателей работают с трением качения и выполняются неразъёмными. Кривошипные головки шатунов больших компрессоров в ряде случаев конструируются не только разъёмными, но дополнительно еще и отъёмными 75 от стержней шатунов. У шатунов автотракторных двигателей кривошипные головки больших размеров довольно часто делают с косым разъёмом, чтобы облегчить продевание большой головки через цилиндр двигателя при монтаже шатуна на коленчатом валу. Рис. 3.9. Типовая конструкция автомобильного шатуна в сборе Основные технические требования по точности изготовления шатунов: – точность диаметров отверстий в поршневой и кривошипной головке – 6…8 квалитет; – конусность и овальность отверстий не более 0,003…0,005мм; – отклонение межосевого расстояния отверстий во втулке поршневой головки и кривошипной головки в пределах 0,06…0,2 мм; – отклонение от параллельности осей отверстий головок не более 0,04…0,05 мм на длине 100 мм; – отклонение от перпендикулярности торцов кривошипной головки относительно оси отверстия не более 0,05…0,1 мм на длине 100 мм; – шероховатость поверхностей отверстия и сопрягаемых поверхностей разъема в пределах Ra = 0,63…1,25 мкм. 3.2. Способы получения заготовок и исходные материалы шатунов В качестве материалов для шатунов низкооборотных ненагруженных двигателей используются углеродистые сплавы марок 40, 45, 45Х, 45ХН, 45ХФН, 45Г2 и т.д., а для двигателей, работающих с высокими степенями сжатия, используются легированные сплавы марок 18ХНМА, 18Х2Н4МА, 40ХНМА и т.д. Шатуны двигателей в мелкосерийном производстве изготавливаются свободной ковкой или штамповкой в закрытых штампах, и все поверхности обрабатываются. Для повышения усталостной прочности и устранения рисок от механической обработки, являющихся местами концентрации напряжений, обработанные поверхности полируются или подвергаются дробеструйной обработке. В серийном и крупносерийном производстве заготовки шатунов, как правило, штампуются в многоручьевых закрытых штампах и подвергаются термической 76 обработке для получения необходимой твёрдости и механических свойств. Поверхности, которые не обрабатываются, должны выполняться с повышенной размерной точностью и не иметь дефектов типа «заковов», снижающих прочность детали. Заготовки изготовляются цельными вместе с крышкой, отрезаемой при механической обработке, или с отдельной крышкой. При первом способе уменьшается расход металла и количество штампов, зато требуются штамповочное оборудование большей мощности, более сложные штампы и дополнительные операции механической обработки. Выбор способа получения заготовки обеспечивается технико-экономическим расчётом. Отверстие кривошипной головки обычно получается в заготовках с припуском на обработку. Отверстия поршневой головки шатуна получаются целиком механической обработкой или прошиваются в заготовках с припуском на обработку. Штампованные заготовки шатунов и крышек автотракторных двигателей часто подвергаются калиброванию и чеканке. Калибрование повышает точность заготовки по всему профилю, уменьшая погрешности установки заготовок на первых операциях механической обработки, и обеспечивает меньшую разность масс заготовок, что позволяет получить не только более высокое качество шатуна, но и уменьшение трудоемкости его механической обработки вследствие меньшего съема металла. Чеканка торцов заготовок шатунов и крышек, обеспечивая точность расстояния между торцами ± 0,08…± 0,2 мм, обусловливает большую точность установки заготовок и позволяет исключить операцию обработки торцов лезвийным инструментом и обрабатывать торцы только шлифованием. 3.3. Типовой технологический процесс изготовления шатуна в серийном (крупносерийном) производстве Последовательность обработки шатуна двигателя зависит от его конструкции, особенностей производства и вида заготовки. Шатуны, изготавливаемые из цельноштампованных заготовок, обрабатываются примерно по следующей технологической схеме: 000 Заготовительная операция включает: отрезку заготовки; многоручьевую штамповку; обрезку и зачистку заусенцев; термообработку; чеканку торцов кривошипной и шатунной головок; холодную правку на прессе. 005 Фрезерная операция (фрезерование торцов головок с двух сторон с созданием технологических баз для последующей обработки). 77 010 Протяжная операция (обработка площадок на боковых сторонах поршневой и кривошипных головок для создания комплекта технологических баз). 015 Специальная агрегатная (токарная) операция (сверление и растачивание отверстия в поршневой головке, растачивание отверстия в кривошипной головке с учетом ширины ее последующей разрезки). 020 Фрезерная операция (разрезание кривошипной головки дисковой фрезой с одновременным фрезерованием плоскостей под головки и гайки шатунных болтов). 025 Протяжная операция (протягивание плоскостей стыка шатуна и крышки). 030 Сверлильная операция (сверление, развёртывание, зенкерование фасок отверстий под болты в шатуне и крышке). 78 035 Шлифовальная операция (шлифование плоскостей стыка шатуна и крышки). 040 Слесарная операция (сборка шатуна и крышки на технологические болты). 045 Шлифовальная операция (окончательное шлифование торцов кривошипной и поршневой головок). 050 Токарная операция (предварительное растачивание отверстия в кривошипной головке, окончательное чистовое растачивание отверстий в обеих головках). 055 Прессовая операция (установка бронзовой втулки в поршневую головку). 060 Токарная операция (тонкое алмазное растачивание отверстий в обеих головках). 065 Хонинговальная операция (хонингование отверстия в кривошипной головке). 070 Контрольная операция (контроль окончательный, подгонка шатуна по весу, разборка шатуна с зачисткой заусенцев, сборка шатуна с крышкой на штатные болты). 3.4. Особенности обработки плоскостей стыка шатуна и крышки В конструкции шатунов двигателей используются различные варианты соединения плоскостей шатуна и крышки (рис. 3.10), что вносит изменения в технологические схемы обработки данных деталей. Наиболее простым в технологическом отношении является плоский разъём (рис. 3.10, а). Конструкция характерна для двигателей небольшой мощности. Поверхности разъёма и полуотверстий обрабатываются набором протяжек, причем одновременно с этими поверхностями обрабатываются и боковые плоскости большой головки, которые в дальнейшем принимаются за временную технологическую базу. а) б) в) Рис. 3.10. Варианты конструкций плоскостей стыка шатуна и крышки: а) плоский разъём стыка с креплением двумя призонными болтами; б) хиртовое соединение с креплением на четыре шатунных болта; в) соединение в шип с креплением двумя шатунными болтами 79 В условиях массового производства плоскости разъёма подвергаются дополнительной обработке шлифованием для надёжного обеспечения плоскостности контакта. Обработка хиртового разъёма (рис. 3.10, б, см. с. 79) производится методом глубинного шлифования. Предварительно обработанный шатун и крышка, с базой на полуотверстия, устанавливаются совместно в специальном приспособлении со смещением в радиальном направлении на величину, равную шагу. Профилирование абразивного круга осуществляется алмазным роликом. Обработка соединения в шип (рис. 3.10, в) проводится на специальном вертикально-протяжном станке комплектами протяжек по специально разработанным схемам настройки. 3.5. Контроль качества шатунов Шатуны контролируются после каждой операции и после полной обработки. После получистовой обработки отверстия в поршневой головке проверяются диаметр и перпендикулярность оси отверстия торцам головки. Для этого проводится проверка в двух плоскостях одновременно. Такая же проверка проводится после получистовой обработки отверстия в кривошипной головке индикатором или щупом. После обработки отверстий в кривошипной и поршневой головке проверяются расстояние между осями их отверстий и параллельность осей. Для этого применяется индикаторное приспособление. При хонинговании отверстий головок шатуна применяются методы активного контроля, что позволяет получать отверстия по 6 квалитету точности, настройка осуществляется по эталону или по первой обработанной детали. При подгонке шатунов по массе взвешивается каждый шатун на специальных двухчашечных весах с соответствующими шкалами. Кривошипную головку шатуна кладут на одну чашку весов, а поршневую головку – на другую чашку, определив взвешиванием, какую массу металла надо снять с одной или с обеих головок шатуна. Снимается эта масса обычно фрезерованием с весовых бобышек, расположенных на головке шатуна. Для тяжелых шатунов характерна сортировка по моментальному весу. Проверка и определение центра тяжести таких шатунов проводится на специальных установках соединенных со станком с ЧПУ. Результат взвешивания на установке передаётся в программу станка, которая определяет точное место и объём снимаемого металла. Допуск на «разновес» шатунов обычно в пределах 0,015…0,050Н. 80 IV. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВТУЛОК Втулки – это тонко и толстостенные детали, образованные наружными и внутренними поверхностями вращения, имеющими общую прямолинейную ось. Втулки предназначены для обеспечения правильного взаимного расположения зубчатых колес, шкивов, подшипников, монтируемых на валах, а также для определения кинематики движения валов, рычагов, поршней и других деталей, устанавливаемых в корпусных сборочных единицах. 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ВТУЛКА ЦИЛИНДРА» ДВС 1.1. Типовые технические требования, предъявляемые к втулке цилиндра Втулка цилиндров (гильза) – это тонкостенная деталь, состоящая из нескольких наружных поверхностей вращения, опорного бурта и одной внутренней поверхности вращения (рис. 4.1). Наружными поверхностями втулка устанавливается в картер или рубашку блока цилиндров, а по её внутренней поверхности в процессе эксплуатации движется поршень с кольцами. Такими образом втулка цилиндра является нагруженной деталью, работающей в условиях больших давлений и температур. Рис. 4.1. Втулка (гильза) цилиндра ДВС: 1, 2 – верхний и нижний посадочный пояса; 3 – наружная поверхность, омываемая охлаждающей жидкостью; 4 – опорный бурт; 5 – внутренняя рабочая поверхность Основные технические требования, предъявляемые к втулке ДВС: – точность изготовления наружных поверхностей – 6…7 квалитет; – шероховатость наружных поверхностей и бурта Ra = 1,25…2,5 мкм; – точность изготовления внутренней рабочей поверхности – 6 квалитет при шероховатости Ra = 0,125…0,630 мкм; – твёрдость внутренней поверхности стальных втулок 70…75 HRCэ (при азотировании на глубину 0,3…0,6 мм), чугунных втулок 42…50 HRCэ (при закалке ТВЧ с последующим отпуском); – допуск цилиндричности внутреннего отверстия 0,015…0,030 мм; – допуск цилиндричности посадочных поясов до 0,02 мм; 81 – допуск соосности диаметров посадочных поясов и отверстия до 0,05 мм; – допуск торцевого биения опорного бурта относительно оси посадочных поясов до 0,02 мм. 1.2. Способы получения заготовок и исходные материалы втулок Для малонагруженных двигателей втулки цилиндров, как правило, изготавливаются из серого модифицированного чугуна марок СЧ 25, СЧ 30. Специальный высокопрочный легированный чугун (ЧНХМД) и чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) применяются для нагруженных дизельных двигателей. Химический состав специальных чугунов достаточно сложен и обычно приводится в чертежах. Микроструктура ЧНХМД представляет собой: графит пластинчатый, перлит, фосфидную эвтектику и цементит; ЧВГ – графит вермикулярный, шаровидный перлит, фосфидную эвтектику, цементит. В некоторых случаях для особо нагруженных тонкостенных гильз используется азотируемая сталь 38ХМЮА. Азотированию подвергается внутренняя поверхность гильзы (рабочая) и часть наружной поверхности, которая соприкасается с охлаждающей жидкостью. Стальные гильзы имеют более высокую прочность и пластичность, чем чугунные, но при их обработке лезвийным инструментом образуется сливная стружка с высокими температурами в зоне резания. Заготовкой для гильз из чугуна является отливка, получаемая центробежным способом, т.е. заливкой металла во вращающуюся форму. В результате вращения формы наиболее качественный и плотный чугун оказывается у наружной поверхности, а менее плотный, с раковинками, шлаковыми включениями – у отверстия в заготовке. Таким образом, припуски на обработку наружной поверхности примерно в 1,5…2 раза меньше, чем внутренней. Возможно также получение отливок в кокиль и в песчаные формы. Твёрдость заготовок из чугуна находится в пределах 229…285 НВ. Замер твёрдости и контроль микроструктуры, как правило, проводятся на одной отливке из плавки на образцах, вырезанных из торца заготовки. Исходной заготовкой для стальных гильз служит труба, которая разрезается на трубоотрезных станках вращающимися вихревыми головками (труба неподвижна). После отрезки на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) на одном из концов заготовки формируется бурт. После высадки бурта заготовки стальных гильз подвергаются термообработке до твердости 255…285 НВ. 82 1.3. Технологические схемы изготовления чугунных и стальных втулок в серийном производстве В крупносерийном производстве механическая обработка втулок (гильз) ДВС осуществляется на поточно-механизированных линиях с использованием вертикальных многошпиндельных станков, оснащенных расточными головками, токарно-копировальных многорезцовых полуавтоматов с несколькими суппортами, хонинговальных специальных и универсальных станков и специальных круглошлифовальных многокамневых полуавтоматов. В серийном производстве, при обработке на одной линии близких по форме типоразмеров втулок, экономически целесообразнее использование жестких токарных станков с системой ЧПУ. Схемы технологических процессов механической обработки чугунных и стальных втулок примерно одинаковы. Отличие заключается в том, что стальные втулки более тонкостенные и склонны к большей овализации, поэтому технологический процесс обработки удлиняется за счёт введения дополнительных операций по многократной обработке наружной и внутренней поверхности с базированием друг от друга. Также поверхности стальных втулок подвергаются азотированию, а чугунных втулок – закалке ТВЧ. Примерная типовая схема технологического процесса изготовления стальной втулки выглядит следующим образом: 000 Заготовительная операция (обрезка в заданный размер прутковой трубной заготовки с последующей высадкой опорного бурта на одном конце заготовки). 83 005 Токарная операция (черновое растачивание внутреннего отверстия). 010 Токарная операция (черновое точение наружной поверхности). 015 Токарная операция (подрезка торцов и точение поясов). 84 020 Токарная операция (чистовое растачивание внутреннего отверстия). 025 Токарная операция (подрезка торца и формирование бурта). 030 Токарная операция (чистовое точение наружных поверхностей). 85 035 Хонинговальная операция (первое хонингование внутреннего отверстия, обработка производится вращающейся головкой с несколькими, от 4 и более, алмазными брусками). 040 Контрольная операция. 045 Термохимическая операция (азотирование внутренней рабочей поверхности втулки и части наружной поверхности, которая соприкасается при эксплуатации с охлаждающей жидкостью). 050 Шлифовальная операция (получение окончательного осевого размера втулки). 055 Токарная операция. 86 060 Хонинговальная операция (второе хонингование внутреннего отверстия, аналог операции 035). 065 Шлифовальная операция (обработка на этой и последующих шлифовальных операциях ведется на специальных круглошлифовальных многокамневых полуавтоматах методом врезания с использованием двух шлифовальных бабок: одна круглошлифовальная с угловым перемещением к оси детали, другая торцешлифовальная с чашечным шлифовальным кругом). 070 Шлифовальная операция (обработка посадочных поясов и опорного бурта). 075 Хонинговальная операция (третье хонингование внутреннего отверстия, аналог операции 035, 060). 080 Шлифовальная операция (окончательная обработка посадочных поясов и опорного бурта). 085 Хонинговальная операция (окончательное хонингование внутреннего отверстия втулки, аналог 035, 060, 075). 090 Контрольная операция. 87 В технологических процессах обработки чугунных втулок ДВС операции чистового растачивания внутреннего отверстия втулки могут быть заменены операциями хонингования. Также на операциях хонингования стальных и чугунных втулок формируется специальный профиль внутренней поверхности, характеризующийся наличием впадин и плоских площадок (плато) для удержания смазки на поверхности с целью улучшения приработки поршневых колец (рис. 4.2). Рис. 4. 2. Профиль внутренней поверхности втулки: 1 – плоские площадки; 2 – впадины Формирование профиля внутренней поверхности осуществляется за счёт использования двух типов абразивных брусков (брусками с более крупным зерном нарезаются впадины, а затем брусками с более мелким зерном формируются плоские площадки), а также сочетания скорости вращения и скорости возвратнопоступательного движения хона. 1.4. Контроль качества втулок ДВС Контроль элементов качества втулок цилиндра не вызывает особых затруднений и в массовом производстве может быть достаточно надежно автоматизирован. При серийном производстве, как правило, проводится поэлементный контроль. Точность формы и размера отверстия контролируются индикаторными нутромерами, которые настраиваются по эталонным кольцам. Наружные диаметры и линейные размеры проверяются жесткими скобами и шаблонами. Контроль радиального биения поясков и осевого биения торца проводится в специальном приспособлении. Гильза базируется на опорных роликах по внутреннему диаметру, а на контролируемые поверхности устанавливаются индикаторы. Деталь поворачивается на один оборот и по отклонению индикаторов определяется величина биения. 88 Контроль плоскостности опорного бурта «на краску» проводится с помощью кольца-калибра, на торец которого нанесен тонкий слой краски. По отпечатку на торце оценивают качество его изготовления. Проверка микрогеометрии внутренней поверхности производится профилографами. Проверке подвергается одна деталь из партии 50…100 штук. Полученная профилограмма поверхности заготовки сравнивается с эталонной. Чугунные гильзы проходят периодический выборочный контроль на герметичность гидростатическим методом в соответствии с ГОСТ 24.054-80. 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ» 2.1. Типовые технические требования, предъявляемые к поршневым пальцам Поршневой палец ДВС представляет собою толстостенную втулку, имеющую рабочую наружную и внутреннюю поверхности (рис. 4.3, см. с. 85). На поршневом пальце, перпендикулярно оси вращения могут быть конструктивно предусмотрены радиальные отверстия для подвода масла. Рис. 4.3. Поршневой палец (толстостенная втулка) дизельного двигателя Основные технические требования, предъявляемые к поршневому пальцу: – точность изготовления наружной поверхности – 5…6 квалитет; – точность изготовления внутренней поверхности – 7 квалитет; – шероховатость наружной поверхности Ra ~ 0,1 мкм, внутренней поверхности Ra ~ 1,25 мкм, отверстий (при их наличии на пальце) Ra ~ 1,25…2,5 мкм; – допуск цилиндричности наружной поверхности не более 0,006 мм; – отклонение от прямолинейности образующей наружной поверхности не более 0,006 мм; – отклонение от круглости наружной поверхности не более 0,002 мм; – твёрдость наружной поверхности – HRC ~ 57…58 мкм. 89 2.2. Способы получения заготовок и исходные материалы поршневых пальцев В качестве исходных материалов для поршневых пальцев используются углеродистые низколегированные стали типа 40, 45, 45Х, 50, 50ХН для двигателей небольших мощностей и легированные стали типа 12ХНЗА, 18ХНМА, 40ХНМА для высокооборотных форсированных двигателей. Для получения заготовок используется периодический прокат в виде круглого горячекатаного прутка или толстостенной трубы. Нарезка штучных заготовок осуществляется на круглопильных или ленточнопильных полуавтоматах, абразивно-отрезных станках, а также возможна рубка проката на прессах в специальных штампах. 2.3. Типовой технологический процесс изготовления поршневых пальцев Технологическая схема изготовления поршневого кольца состоит из следующих основных технологических операций: 000 Заготовительная операция (нарезка мерных штучных заготовок из периодического проката). 005 Токарная операция (базирование заготовки осуществляется в трёхкулачковый патрон, обрабатывается сверлением центральное отверстие). 90 010 Токарная операция (базирование заготовки производится по внутренней поверхности, обрабатывается наружная поверхность, одна из целей данной операции – обеспечение равностенности втулки в пределах требования чертежа ~ 0,2 мм). 015 Химико-термическая операция (цементация заготовок из низкоуглеродистых сталей типа 12ХНЗА, на глубину 1,5…2,0 мм). 020 Шлифовальная операция (обработка наружной поверхности для создания точной технологической базы на бесцентрово-шлифовальном станке, базой является обрабатываемая поверхность). 025 Токарная операция (поочередная обработка двух концов заготовки: подрезка торцов с радиусом, рассверливание и зенкерование отверстия). 91 030 Сверлильная операция (получение радиальных отверстий для подвода масла, может повторяться в технологическом процессе для рассверливания, развертывания отверстий и обновления наружных фасок). 035 Термическая операция (закалка с последующим отпуском, твёрдость цементированной поверхности HRC ≥ 57 ед., нецементируемой поверхности HRCэ 28…42 ед.). 040 Шлифовальная операция (обработка внутренней поверхности пальца в серийном производстве осуществляется шлифованием или развёртыванием с последующей зачисткой гребешков шлифовальной шкуркой, в массовом производстве внутренний диаметр обрабатывается развертыванием с последующим дорнованием стальным шариком). 045 Шлифовальная операция (выполняется окончательная обработка наружной поверхности на бесцентровошлифовальных станках (от 2 до 6 штук установленных последовательно), зернистость шлифовальных кругов снижается с 25 мкм до 8…10 мкм, последний станок – бесцентроводоводочный с увеличенной высотой круга до 600 мм). 050 Контрольная операция (проверяются все технические требования к геометрии наружной поверхности пальца и сопутствующим конструктивным элементами). 92 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Балакшин, Б.С. Теория и практика технологии машиностроения / Б.С. Балакшин, – М.: Машиностроение, 1982. – 366 с. 2. Бурцев, В.М. Технология машиностроения. Т. 2. Производство машин: учебник для вузов / В.М. Бурцев, А.С. Соломенцев, О.М. Деев, – М.: Издательство МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 640 с. 3. Зайончик, Л.И. Проектирование и производство заготовок: текст лекций/ Л.И. Зайончик, – Челябинск: ЧГТУ, 1990. – 87 с. 4. Клепиков, В.В. Технология машиностроения: учебник / В.В. Клепиков, А.Н. Бодров, – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. – 860 с.:ил. – (Серия «Профессиональное образование»). 5. Колесов, И.М. Основы технологии машиностроения / И.М. Колесов, – М.: Высшая школа, 1999. – 590 с. 6. Крылов, О.В. Технология двигателестроения: учебное пособие / О.В. Крылов, – Екатеринбург: УГТУ, 2000. Ч. 2 – 147 с. 7. Маталин, А.А Технология машиностроения: учебник для машиностроительных вузов по спец. тех. маш. / А.А Маталин, – Л.: Машиностроение, 1985. – 510 с. 8. Полетаев, В.А. Обработка коленчатых валов на специальных металлорежущих станках: справочник / В.А. Полетаев, В.Н. Леонов, – Инженерный журнал, 2001. 9. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1 / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова, – 4-е Изд., перераб. и доп., – М.: Машиностроение, 1985. – 656 с., ил. 10. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – 4-е Изд., перераб. и доп., – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с., ил. 93