Проектирование и расчет вала-шестерни

1.5 Технические требования

В ТУ описываются технические требования, что в свою очередь поможет при выборе конкретного метода получения заготовки Также в ТУ описываются:

1. Гр. II 156...229 HB ГОСТ 8479-70.

2. Цементировать h1,2-1,7мм. На шлифуемых поверхностях допускается уменьшение цементационного слоя до h?0.9мм. Поверхность зубьев 57...65 HRCэ поверхности шлицов HRCэ?51, сердцевина зубьев 36...42 HRCэ,остальные поверхности HRCэ?47.

3. Неуказаные предельные отклонения размеров отверстии H14, валов h14, ±IT15/2;

4. Овальность и конусообразность поверхностеи Б и В не более 0,02мм.

5. Допуск паралельность боковых поверхностей шлицев относительно оси вала не более 0,05мм. по длине 100мм.

6. Контроль шлицев должен производиться после термообработки элементами комплексного колибрования.

7. Структура зубьев, правила и остальное ТТ по РД23.0237573.03-69.

8. Маркировать шрифтом 5 ГОСТ 2930-52.

9.* Размер для справок.

10. Упаковка -70С-0000510-65.

11. Зубья колес подвергать дробеструйному упрочнению.

2. Анализ производственной задачи

Программа выпуска для данной детали - « Вал-Шестерня 70С-2612029» составляет для деталей массой менее 20 кг. (масса данной детали 11,357 кг.) и условиям среднесерийного производства - N =2500 штук.

Особенность среднесерийного производства в том, что в течении года данная деталь выполняется периодически небольшими партиями. Производственное оборудование должно быть очень гибким, но при этом и высокопроизводительным, рекомендуется использовать универсальные станки, но с числовым программным управлением; при этом есть возможность использовать рабочий персонал не высокой квалификации, но возникает необходимость в наладчиках и программистах для обслуживания станков, также есть возможность многостаночного обслуживания.

Планирование механического участка рекомендуется производить по групповой схеме. При этом в цеху создаются участки рассчитанные на обработку определённых типов деталей.

Заготовки для данного вида производства используют из проката различных профилей, а также кованные и реже, штампованные.

В качестве измерительного инструмента используют универсальный инструмент, однако для наиболее точных поверхностей, также возможно использование скоб и пробок.

Основная масса приспособлений - это универсально-сборные ГОСТированные.В качестве технологической документации часто используют маршрутные карты, а для некоторых операций разрабатывают операционные. При использовании станков с ЧПУ рекомендуется на все операции разрабатывать полную технологию.

3. Выбор метода получения заготовки

3.1 Технически возможные методы получения заготовки

Выбор метода получения заготовки является очень важной задачей в машиностроении. Одно из основных направлений современной технологии - совершенствование заготовительных процессов с целью снижения припусков на механическую обработку, ограничения её операциями окончательной отделки, а в ряде случаев полного исключения, то есть обеспечение малоотходной или безотходной технологии.

Метод получения заготовки во многом зависит от типа производства, а также от массы детали и её конфигурации.

Исследуемая деталь - вал-шестерня , материал заготовки - легированная сталь. Метод получения заготовки - прокат или штамповка.

Для данной детали рассмотрим два метода получения заготовки:

1.Прокат (прутки) используются в качестве заготовки для изготовления труб, прутки используются также в машиностроении для изготовления различных деталей машин.

Круги стальные (прутки) изготавливаются диаметром от 5 до 250 мм включительно.

Круги стальные (прутки) диаметром до 9 мм поставляются в мотках, свыше 9 мм - в прутках.

Прутки диаметром более 270 мм изготавливаются по согласованию с потребителем.

По точности прутки изготавливают:

А - высокой точности;

Б - повышенной точности;

В - обычной точности.

2.Штамповка-процесс обработки металлов давлением, при котором формообразование детали осуществляется в специализированном инструменте, разновидность кузнечно-штамповочного производства. По виду заготовки различают объёмную штамповку и листовую штамповку, по температуре процесса -- холодную штамповку и горячую. По сравнению с ковкой, обеспечивает большую производительность благодаря тому, что пластически деформируется одновременно вся заготовка или значительная её часть.

Экономическое обоснование выбора заготовки. При выборе вида заготовки для вновь проектируемого технологического процесса возможны следующие варианты: 1) метод получения заготовки принимается аналогичным существующему в данном производстве; 2) метод получения заготовки изменяется, однако это обстоятельство не вызывает изменений в технологическом процессе механической обработки; 3); метод получения заготовки изменяется, и в результате этого существенно изменяется ряд операций механической обработки детали.

В двух рассмотренных случаях имеется полная возможность принять окончательное решение относительно вида заготовки и рассчитать ее стоимость до определения технологической себестоимости варианта процесса.

Для первого метода, как получения деталей из прутка, мы будем брать припуски по длине согласно ГОСТ 23.4.62-79, и по диаметру согласно ГОСТ 2590-71.

вал шестерня заготовка обработка

Рис.3 Загатовка

Рис.4 Загатовка

Полученая заготовка имеет размеры Ш129,4Ч257 и масса 26,362 кг.

Себестоимость заготовоки из проката:

Sзаг=M+?Co.з.=1,896+0,1=1,996?2 у.е.

где М- затраты на материал заготовки, руб.; УСо.з.--технологическая себестоимость операций правки, калибрования прутков, разрезки их на штучные заготовки:

;

где Сп.з -- приведенные затраты на рабочем месте, коп./ч; Тшт(ш-к)--штучное или штучно-калькуляционное время выполнения заготовительной операции (правки, калибрования, резки и др.).

Затраты на материал определяются по массе проката, требуемого на изготовление детали, и массе сдаваемой стружки. При этом необходимо учитывать стандартную длину прутков и отходы в результате некоректности длины заготовок этой стандартной длине:

у.е.;

где Q -- масса заготовки, кг, S -- цена 1 кг материала заготовки, лей.; q -- масса готовой детали, кг; Sотx -- цена 1т отходов, лей.

2. Стоимость заготовок, получаемых такими методами, как литье,горячая штамповка, а также электровысадкой, можно с достаточной для курсового проектирования точностью определить по формуле:

,

где Сi -- базовая стоимость 1 т заготовок, лей.; kT, kC, kB, kм, kп -- коэффициенты, зависящие от класса точности, группы сложности, массы, марки материала и объема производства заготовок.

Согласно ГОСТ 7505-89, для определеня исходного индекса необходимо определить конструктивные характеристики поковки:

1) Класс точности-,,Т4??;

2) Группа стали-,,М2??, сталь с массовой долей углерода свыше 0,35 до 0,65 % включ. или суммарной массовой долей легирующих элементов свыше 2,0 до 5,0 % включ;

3) Степень сложности - соответствуют следующие численные значения отношения Gп/Gф

Ориентировочную величину расчетной массы поковки (Мп.р) допускается вычислять по формуле:

Мп.р = Мд·Kр=11,357·1,4=15,89кг.

где Мп.р - расчетная масса поковки, кг;

Мд - масса детали, кг;

Kр - расчетный коэффициент (Kр =1,3 - 1,6)

Исходные данные для расчёта наиболее экономически выгодного изготовления заготовки.

Gф=V·с=2961804мм3·7800кг/м3=23,1кг.

Gп/Gф=15,89 кг /23,1 кг =0,68

Степень сложности =0,68, что соотвествуют С1 - св. 0,63.

Для определения исходного индекса в графе «Масса поковки» находит соответствующую данной массе строку и, смещаясь по горизонтали вправо или по утолщенным наклонным линиям вправо вниз до пересечения с вертикальными линиями, соответствующими заданными значениями группы стали М, степени сложности С, класса точности Т, устанавливают исходный индекс-,,13??.

Таблица 1.3.1

Рис.5 Предварительная загатовка

Рис.6 Предварительная загатовка

Было расчитоно масса заготовки с соотвестие с чертежа из рисунка 5, Мд=15,338кг.

3.2 Экономически обоснованный метод получения заготовки

Произведем сравнительный анализ двух вышеизложенных вариантов получения заготовки.Расчитав себестоимость, заметно, что заготовка при штамповке дороже, чем вариант получения из прутка. Отсюда следует, что пруток целесообразно использовать .

3.3 Предварительный эскиз заготовки

Рис.7 Предварительная загатовка

4. Анализ конструкции детали на технологичность

Технологичность конструкции детали имеет прямую связь с производительностью труда, затратами времени на технологическую подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия. Технологичность конструкции детали оценивают по многим критериям.

4.1 Геометрическая форма детали

Геомерическая форма детали несложная, деталь сформирована поверхностями вращения. Некоторую сложность представляют шлицы и шестерня, они требует дополнительные операции,в данном случае, фрезерные операции. Деталь достаточно жесткая.

4.2 Базирование и закрепление детали

С точки зрения базирования исходная заготовка имеет торцевую переходящую в цилиндрическую поверхность с обеих сторон 129,4 и хорошо подходят для базирования. Для второго установа, базирования будет осуществляться на обработаной поверхности.

4.3 Простановка конструкторских размеров

Линейные конструкторские размеры проставлены, в основном, от края торцевых поверхностей и торец шестерни. Размер 252 соединяет оба края детали, который определяет длина вала. Второй размер по важности это 222, связан с торцом вала и торцом шестерни.Относительно торца шестерни и заданы все остольные размеры.

4.4 Технические требования взаимного расположения.

Технические требования взаимного расположения легко достигаются при обработке.На валу присуствуют фронтальные и радиальные биения. Величина допустимых отклонений, фронтальные биения 0,5мм. относительно от баз Б и В, радиальные биения 0,04-0,2мм. относительно от баз Б и В и особых проблем не вызывает.

4.5 Расположение конструктивных элементов

Основными конструктивными элементами вала шестерни являются шлицы вала и зубьев шетерни. В дополнение к элементам, упомянутые центрирующие отверстия, которые не показаны графически, но только текстом. Все конструктивные элементы размещены на внешней поверхности вала.

4.6 Поверхности формируемые инструментами

Рис.8 Поверхности, образованные инструментом

В конструкции детали есть поверхности, которые формируются за счет размера инструмента. Это нетехнологично,так как подрузомивается что требуется наличие специального инструмента. Среди них есть канавки и центрирующие отверстия.

4.7 Возможности использования высокопроизводительных методов обработки

Крайние торцевые поверхности детали открыты и допускают применение высокопроизводительных методов обработки на проход. Как правило, валы имеют открытые участки, которые не затрудняют доступ к обрабатывающего инструмента, что позволяет использовать производительные методы обработки, например, высокая скорость обработки, использование нескольких инструментов одновремено. Для получения зубьев и шлицов, нужно использовать методы, которые сочетают вращение детали и поступательное движение и вращения инструмента, что значительно сокращает время на обработку.

4.8 Условия входа и выхода инструментов

Вход на обработку инструментов в основном технологичен. В двух случаях при фрезеровании необходимо соблюдать осторожность из-за риска cтолкновения от передней поверхности.

4.9 Требования к наладке, к точности наладки

Повышенные требования к наладке и программированию следует предъявить при обработке всех полуоткрытых торцевых и цилиндрических поверхностей.По возможности необходимо использовать компенсации для обеспечения размеров предписанные в техническом чертеже.

4.10 Тяжелые или неоптимальные условия обработки

Практически для всех поверхностей условия обработки достаточно благоприятны. Глубоких отверстий нет. Худшая нетехнологичность наблюдается для шлицов вала, зубьев шетерни и шлифованых поверхностей.

5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПЕРЕХОДОВ ОБРАБОТКИ ОТДЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В таблице 1.5.1 приведены данные о точности поверхностей детали.

Таблица 1.5.1.

Далее по данным точностям обрабатываемых поверхостей можно предложить для каждой поверхности два способа обработки:

Таблица 1.5.2

6. Разработка маршрутной технологии и схем установки

6.1 Совмещение в одной операции черновой и чистовых переходов

Все поверхности которые требуются обработать делятся на две отдельные зоны, точность взаимного расположения регламентирована, между поверхностями двух сторон детали, точность заготовки соответствует IT14 можно совмещать в одом установе или в одной операции переходы черновые и чистовые.

6.2 Концепция технологического процесса

Деталь может быть полностью обработана за четыре операции.Первая операция состоит из 2 установок (комплексная с ЧПУ), где токарные операции объединяются с фрезерными операциями. Для выполнения шлифовальных операции, необходимо выполнить термообработку детали. И, наконец, для обеспечения шероховатости Ra 0,63 в размере 86q6, как показано на чертеже нужно сделать полировку поверхности.

6.3 Составление схем установок (базирования и закрепления)

При выборе схемы базирования следует учесть, что деталь размер имеет с обеих сторон имеются - крайние торцовые поверхности. Данные поверхности могут послужить в качестве базирующих. Далее торцевые базы могут группироваться с внешними цилиндрическими поверхностями:

1. Комплект баз - торец и внешняя цилиндрическая поверхность (рис. 1.6.1).

Рис. 1.6.1. Пример установки 1

Схема отвечает требованиям и размерной точности и требованиям точности взаимного расположения, поскольку открывает возможность обработки с этой установки всех поверхностей расположенных на правом внешнем и внутреннем контуре. Также некоторые из этих поверхностей взаимосвязаны техническими требованиями взаимного расположения.

2. Комплект баз - торец диаметра и цилиндрическая поверхность 60k6 (рис. 1.6.2). Схема обладает тем преимуществом, что базирование происходит по поверхности-базы используемой для регламетирования точности взаимного расположения и вращающийся центр который обеспечает неподвижная ось для точения и фрезерования поверхностеи.

3. Комплект баз для шлифования - торец диаметров с центрами (рис. 1.6.3). Схема обладает тем преимуществом, что базирование присходит по центровочные отверстия используем для обеспечения соосности поверхности вала относительно оси.

Рис. 1.6.2. Пример установки 2

Рис. 1.6.3. Пример установки 3

Как упоминалось выше,технологическии процес будет состоять из пяти операций:

005-Резка;

010-Комплексная с ЧПУ;

015-Термооброботка;

020-Шлифование;

025-Полировка.

Для резки прутка, предлогается высокомощная ленточная пила для распила крупных заготовок, HB-380 L-Полуавтоматическая ленточная пила, предназначена для распила профиля и проката из стали, алюминия и других материалов с высокой точностью.

Для операции 015, комплексная с ЧПУ будем использовать станок DMG CTX beta 500. CTX 500 бета "горизонтальный токарный центр является частью новой DMG CTX серии, начиная с одной машины вращения шпинделей с быстрой башней до комплексной обработки с контршпинделем и Y-оси описывает широкий спектр возможностей. В связи с увеличением производительности компонент 25%, эта машина особенно подходит для тяжелых прутков, и обработки валов.

Для операции 020- Шлифование, будем использовать станок RSM B 500 CNC, высокоточный станок для внутренней и наружной обработки циллиндрических деталей.

Для полировки цилиндрических поверхностей будут использованы станки для шлифования или специальное оборудование.

7. Минимальные припуски на обработку

7.1 Аналитический расчет минимальных припусков на обработку

Аналитический расчет минимальных припусков на обработку, предельных размеров по технологическим переходам проводится по рекомендациям /2/. стр. 61-64./

Этим способом будем рассчитывать две поверхности, которые являются на чертеже самыми точными. Возьмём поверхность Ш75k6.

Таблица 1.7.1

Значения Rz и Т - характеризующие качество поверхности принимаем по источнику /2/ табл.4.3 и табл. 4.5.

Значения пространственных отклонений с для данного типа заготовок определяем по формуле /2/, стр.66:

сd = скор2 + ссм2

где скор -коробление отливки, мкм; ссм -смещение стержня образующего отверстие, мкм.

скор = Дк·d =1·75 =75 мкм

Дк=1- удельное коробление проката /2/, табл.4.8.

ссм -следует принимать равной допуску на размер, ссм=1200мкм

мкм

Остаточное пространственное отклонение. kу - коэффициент уточнения формы /2/ с. 73.:

Для черновой обработки сост = сзаг ·0,06 = 1202·0,06 = 72,12 мкм

Для получистовой обработки сост = сзаг ·0,05=72,12·0,05= 3,6 мкм

Для чистовой обработки сост = сзаг ·0,04=3,6·0,04= 0,14 мкм

Для окончательной обработки сост = сзаг ·0,02=0,14·0,02= 0,002 мкм

Погрешность установки для прутка обрабатываемого в трехкулачковом патроне с диаметром базы 130 мм согласно /2/ табл. 1.10 равна:

Согласно примеру из /2/ с.85

Так как вся обработка данной поверхности производится в одной установки, то еинд=0 .

После чернового растачивания е2 = е1·0,06 = 6,6 мкм ;

После чистовой обработки е3 = е2·0,05 = 0,33 мкм ;

Расчёт припусков производим по формуле:

Минимальный припуск под:

* черновое точение

* получистовое точение

* чистовое точение

* шлифование

Расчётный размер dp, расчёт ведётся в обратном порядке:

dp5= 75.002мм

dp4 = 75.002+0.005=75.007мм

dp3 = 75.007+0.087=75.094мм

dp2 =75.094+0.305=75.399 мм

dp1 =75.399+3.414=78.813. мм

Допуск д мкм.

Заготовка 15 степень +1200мкм

точение черновое 12 квалитет +300мкм

точение получистовое 9 квл. +87 мкм

точение чистовое 7 квл. +30 мкм

шлифование 6 квл. +19 мкм

Предельный размер.

dmах= dp + д dmах5= 75,002+0,019=75,021 мм

dmах4= 75,007+0,030 =75,037мм

dmах3=75,094+0,074=75,168мм

dmах2= 75,399+0,300=75,699 мм

dmах1= 78,813+1,2=80,013 мм

Предельные значения припусков.

2Z'min1 = dmin1 - dmax2=78.813 - 75.699=3114мкм

2Z'max1 = dmax1 - dmin2=80.013 - 75.399= 4614 мкм

2Z'min2 = dmin2 - dmax3=75.399 - 75.188=211мкм

2Z'max2 = dmax2 - dmin3= 75.699 - 75.094=605 мкм

2Z'min3 = dmin3 - dmax4=75.094 - 75.037=57мкм

2Z'max3 = dmax3 - dmin4=75.168 - 75.007 = 161мкм

2Z'min4 = dmin4 - dmax5=75.007 - 75.021 = 14мкм

2Z'max4 = dmax4 - dmin5=75.037 - 75.002 = 35мкм

Торцевая поверхность 197b12

Таблица 1.7.2

Значения Rz и Т - характеризующие качество поверхности принимаем по источнику /2/ табл.4.3 и табл. 4.5

Значения пространственных отклонений с для данного типа заготовок определяем по формуле /2/ стр.66:

скор = ?кор·L

где скор -коробление прутка, мкм;

скор = Дк·L =1·197=197 мкм

Дк=1 - удельное коробление прутка /2/ табл.4.8.

Согласно примеру из /2/ с.85

еi=Kу еi-1+еинд

Так как вся обработка данной поверхности производится в одной установки, то еинд=0 .

Дост= сост - остаточное пространственное отклонение ;

Kу - Коэффициент уточнения /2/ с.73

Дi-1 - пространственное отклонение, полученые на предшествуюшем переходе;

После чернового торцевания сост,1 = сзаг ·0,06 = 197·0,06=11,82 мкм ;

После чистовой обработки сост,2 = сост,1 ·0,04 = 11,82·0,04?0,5 мкм ;

Погрешность установки при базировании по чистой базе в трехкулочковом патроне с диаметром базы 130 мм в осевом направлении согласно /2/ табл. 1.10 равна:

Согласно примеру из /2/ с.85

еi=Kу еi-1+еинд

Так как вся обработка данной поверхности производится в одной устоновки, то еинд=0 .

После чернового точения е2 = е1·0,06 = 8,4 мкм ;

После чистовой обработки е3 = е2·0,05 = 0,42 мкм ;

Расчёт припусков производим по формул /2/ табл. 4.2:

Минимальный припуск под:

* Черновое торцевое точение

Zmin2 = 200+300 + 197+ 140 = 837 мкм;

* Чистовое торцевое точение

Zmin3 = 40 + 11,82 + 8,4 ?60 мкм;

Расчётный размер Lp, расчёт ведётся в обратном порядке:

Lp3 = 197 - 0.8 = 196,2 мм;

Lp2 = 196,2 + 0.06 = 196,26мм;

Lp1 = 196,26+ 0,837 = 197,097мм;

Допуск д мкм.

Допуск на размер на необработанную поверхность неизвестна, так как базовая поверхность уже была обработана при выполнении размера 197-0.46 (технологический допуск согласно /2/ с. 74 назначен: Д197=(Дзаг+Добр)/2=(1,15+0.46)/2=0,6мм следовательно получаем технологический размер 197,1±0.6

Д197+Zлев=Д197+Zлев+Zпр+ ДZпр=0,9+0,9=1,8 мм;

Заготовка 1800 мкм ;

Черновое торцевое точение 14 квл. 1150 мкм ;

Чистовое торцевое точение 12 квл. 460 мкм ;

Предельный размер.

Наименьшие предельные размеры (Lmin) получаются по расчетным, округленным до точносности допуска соответствующего перехода.

Таким образом :

Lmin3 = 196...