Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Назначение детали и технические условия на изготовление

деталь технологичность вал шестерня

Исходные данные к проекту:

- изготавливаемая деталь - вал-шестерня быстроходный;

- годовая программа выпуска - 2500 шт.;

- материал детали - Сталь 45 ГОСТ 1050-88.

В данном курсовом проекте разрабатывается технологический процесс изготовления вала-шестерни быстроходного.

Вал-шестерня - крепёжное изделие в виде стержня с шестернёй на одном конце и конструктивным элементом для передачи крутящего момента на другом.

Конструкция вала, его размеры, технические требования, программа выпуска - основные факторы, определяющие технологию изготовления и применяемое оборудование. Заготовки для ступенчатых винтов в серийном производстве при небольших перепадах диаметров ступеней получают резкой из горячекатаного проката. При значительных перепадах диаметров ступеней заготовки валов изготавливают ковкой на молотах и прессах.

Таблица 1. Химический состав % материала 45

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.42 - 0.5	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.3	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.3	до 0.08

Таблица 2. Температура критических точек материала 45

Ac1 = 730, Ac3(Acm) = 755, Ar3(Arcm) = 690, Ar1 = 780, Mn = 350

Таблица 3. Технологические свойства материала 45

Свариваемость:	трудносвариваемая
Флокеночувствительность:	малочувствительна
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна

 предел текучести _0,2 = 580 МПа

временное сопротивление разрыву _В = 800 МПа

относительное удлинение = 15%

относительное сужение = 68%

ударная вязкость KCU = 1,4 МДж/м²

число твердости по Бринеллю НВ = 2400 МПа

2. Тип и организационная форма производства

Тип производства

Тип производства - это комплексная характеристика технических, организационных и экономических особенностей машиностроительного производства, обусловленная его специализацией, типом и постоянством номенклатуры изделий, а также формой движения изделий по рабочим местам.

Единичное производство - характеризуется широким ассортиментом продукции и малым объемом выпуска одинаковых изделий, зачастую не повторяющихся. Особенности этого типа производства заключаются в том, что рабочие места не имеют глубокой специализации, применяются универсальное оборудование и технологическая оснастка, большая часть рабочих имеет высокую квалификацию, значительный объем ручных сборочных и доводочных операций, здесь высокая трудоемкость изделий и длительный производственный цикл их изготовления, значительный объем незавершенного производства.

Разнообразная номенклатура делает единичное производство более мобильным и приспособленным к условиям колебания спроса на готовую продукцию.

Единичное производство характерно для станкостроения, судостроения, производства крупных гидротурбин, прокатных станов и другого уникального оборудования. Разновидностью единичного производства является индивидуальное производство.

Серийное производство - характеризуется изготовлением ограниченной номенклатуры продукции партиями (сериями), повторяющимися через определенные промежутки времени. В зависимости от размера серии различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производства. Особенности организации серийного производства заключаются в том, что удается специализировать рабочие места для выполнения нескольких подобных технологических операций, наряду с универсальным применять специальное оборудование и технологическую оснастку, широко применять труд рабочих средней квалификации, эффективно использовать оборудование и производственные площади, снизить, по сравнению с единичным производством, расходы на заработную плату.

Серийное производство характерно для выпуска продукции установившегося типа, например, металлорежущих станков, насосов, компрессоров и другого широко применяемого оборудования.

Массовое производство - характеризуется изготовлением ограниченной номенклатуры однородной продукции в больших количествах в течение относительно продолжительного периода времени.

Массовое производство - высшая форма специализации производства, позволяющая сосредоточивать на предприятии выпуск одного или нескольких типов одноименных изделий. Непременным условием массового производства является высокий уровень стандартизации и унификации при конструировании деталей, узлов и агрегатов.

Особенности организации массового производства заключаются в том, что можно специализировать рабочие места на выполнении одной постоянно закрепленной операции, применять специальное оборудование и технологическую оснастку, иметь высокий уровень механизации и автоматизации производства, применять труд рабочих невысокой квалификации.

Массовое производство обеспечивает наиболее полное использование оборудования, высокий уровень производительности труда, самую низкую себестоимость изготовления продукции по сравнению с серийным и тем более единичным производством.

Этот тип производства экономически целесообразен при достаточно большом объеме выпуска продукции, поэтому необходимым условием массового производства является наличие устойчивого и значительного спроса на продукцию.

Тип производства функционально связан с массой детали m и годовой программой выпуска N. Если принять, что произведение массы детали на величину годовой программы есть величина постоянная, то тип производства можно ориентировочно установить по следующим данным:

Таблица 4

Тип производства	Мелкосерийное	Серийное	Массовое
m, кг	< 20	20-100	? 100
Размер партии	20	20-100	30-40
m•N	< 400	400-1000	? 3000

То есть, масса детали m = 1,5 кг. По исходным данным N = 2500 шт., тогда m•N = 1,5• 2500 = 3750, что соответствует массовому типу производства.

Организационная форма производства

На основании заданной программы рассчитывается такт выпуска:

где F_д - действительный годовой фонд работы оборудования за смену (равен 2030 часов при 1 рабочей смене в сутки);

N - годовая программа выпуска деталей.

Таблица 5

Вид механической обработки	Основное технологическое время
Черновая обточка поверхностей	0,00017dl
Чистовая обточка	0,00010dl
Шлифование грубое	0,00007dl
Шлифование чистовое	0,00015dl
Протягивание отверстий и шпоночных канавок	0,0004l
Растачивание отверстий	0,00018dl
Сверление отверстий	0,00052dl
Фрезерование черновое за проход	0,007l
Фрезерование чистовое за проход	0,004l

Черновая обточка 1) 0,21; 2) 0,22; 3) 0,41; 4) 0,22; 5) 0,45; 6) 0,41; 7) 0,12;

Чистовая обточка 1) 0,12; 2) 0,13; 4) 0,13; 5) 0,26; 6) 0,24; 7) 0,072;

Шлифование грубое 1) 0,087; 2) 0,089; 4) 0,089; 5) 0,18; 6) 0,17; 7) 0,05;

Шлифование чистовое 1) 0,18; 2) 0,19; 4) 0,19; 5) 0,39; 6) 0,36; 7) 0,11;

Протягивание отверстий и шпоночных канавок 6) 0,023;

Растачивание отверстий 6) 0,43;

Сверление отверстий 6) 1,24;

Фрезерование черновое за проход 3) 0,33;

Фрезерование чистовое за проход 3) 0,19;

Среднее штучное время:

7,29/30 = 0,243

Коэффициент повторяемости:

3. Класс детали и технологичность ее конструкции

Определение класса детали

Деталь относится к классу «круглые стержни», тип детали - «вал-шестерня быстроходный».

К классу деталей «круглые стержни» относятся детали, которые имеют цилиндрическую форму, причем их длина значительно превышает диаметр. К таким деталям относятся: поршневые пальцы, оси привода сцепления, валики водяного насоса, шкворни, оси блока шестерен заднего хода, толкатели, валы коробок передач, карданные валы и крестовины карданов, валы и полуоси задних мостов, поворотные цапфы, валы рулевого управления, впускные и выпускные клапаны, коленчатые и распределительные валы и др.

Они изготавливаются из конструкционных среднеуглеродистых и легированных сталей, высокопрочного чугуна. В зависимости от назначения и условий работы детали данного класса могут иметь шейки, отверстия, резьбу, шпоночные канавки, шлицы, выточки, галтели, зубья, кулачки, торцовые поверхности, фланцы и другие поверхности, работающие при различных видах трения и нагрузках. Рабочие поверхности в большинстве случаев подвергают закалке токами высокой частоты или цементации с последующей закалкой и низкотемпературным отпуском. В зависимости от отношения длины к диаметру различают жесткие (не более 12) и нежесткие (больше 12) стержни.

В процессе эксплуатации детали подвергаются периодическим нагрузкам от сил давления газов и инерции движущихся масс, которые вызывают переменные напряжения в их элементах.

Оценка технологичности конструкции

Детали типа валов признаются технологичными, если они отвечают следующим требованиям (качественная оценка):

- возможность максимального приближения формы и размеров заготовки к размерам и форме детали;

- удобство контроля размеров и точностных параметров детали;

- уменьшение диаметров поверхностей от середины к торцам вала или от одного торца к другому;

- возможность замены закрытых шпоночных пазов открытыми;

- жесткость вала обеспечивает достижение необходимой точности при обработке (l: d<10…12);

Выполним количественную оценку технологичности детали, определив коэффициенты шероховатости К_т и К_ш точности детали:

- число поверхностей, выполненных по квалитету P9 = 1;

- число поверхностей, выполненных по квалитету k6 = 2;

- число поверхностей, имеющих шероховатость R_a 1,6 мкм = 6;

- число поверхностей, имеющих шероховатость R_a 0,8 мкм = 4;

- число поверхностей, имеющих шероховатость R_a 0,08 мкм = 1;

Деталь является технологичной, так как отвечает требованиям количественной (K_ш < 0,5; К_т > 0,85) и качественной характеристик.

4. Обоснование и выбор способа производства

Валы - шестерни изготавливаются штамповкой, ковкой и прокатом.

Штамповка - это способ обработки металлов давлением, при котором объем металла, нагретый до температуры ковки, принудительно распределяется по полости штампа с целью получения изделия определенной конфигурации.

Такой способ заготовительного производства позволяет получать заготовки (штампованные поковки) сложной конфигурации с незначительными припусками на механическую обработку и с заранее заданными механическими свойствами.

В зависимости от применяемого деформирующего оборудования, горячая объемная штамповка может осуществляться на штамповочных молотах, кривошипных, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных машинах. Существует ГОСТ 7505-89, регламентирующий порядок конструирования штампованных поковок.

В зависимости от типа штампа и его особенностей, штамповка подразделяется на штамповку в открытых (с заусенцем) и закрытых штампах и штамповку выдавливанием.

Штамповка в открытых штампах сопровождается образованием необходимого заусенца (облоя). При этом масса исходной заготовки больше массы получаемой в полости штампа поковки на величину заусенца, который образуется на самой последней стадии штамповки.

После штамповки заусенец обрезается в специальном обрезном ручье штампа. Открытые штампы имеют следующие преимущества: не нужна точная дозировка металла исходной заготовки, можно применять обычный нагрев, можно получать поковки сложной конфигурации, относительно большой ресурс штампа (по сравнению со штамповкой в закрытом штампе). К недостаткам способа можно отнести большой отход металла на заусенец, большие припуски на механическую обработку.

Штамповка в закрытых штампах не предусматривает образования специального заусенца. Образующийся небольшой заусенец, затекающий в компенсатор штампа, является следствием неточной дозировки исходного металла.

Необходимость точной дозировки металла сдерживает широкое промышленное использование такого метода штамповки. Однако несомненным его преимуществом является экономия металла. Именно поэтому этот способ штамповки нередко называют точной безотходной штамповкой.

Форма поковки может быть простой и сложной. Поковки простой формы даже из предварительной заготовки (проката круглого или квадратного сечений) можно получить в одной полости (ручье) штампа. Такая штамповка носит название одноручьевой.

Если форма заготовки значительно отличается от конфигурации поковки, то требуется последовательно приближать конфигурацию в специальных, дополнительных полостях (ручьях) штампа. В этом случае штамповка будет называться многоручьевой. Многоручьевая штамповка менее эффективна, поэтому для повышения производительности и снижения стоимости изготовления сложных поковок применяют предварительное фасонирование заготовки, например, на горизонтально-ковочных машинах, ковочных вальцах и т.д.

Ковка - обработка металла, находящегося в пластическом состояние под действием бойков молота (динамическое воздействие) или пресса (статическое воздействие) с использованием при надобности подкладного инструмента. Изделие, получаемое ковкой, называют поковкой.

Поковки могут иметь самую разнообразную форму и массу от нескольких граммов до 350 т. и более. Большие поковки получают непосредственно из слитков, поковки средних и малых размеров - из прокатных заготовок.

Ковку применяют в условиях единичного и мелкосерийного производства. Заготовку куют между нижним (неподвижным) и верхним (подвижным) бойками молота и пресса. Контактирующие с заготовкой поверхности бойков и подкладных инструментов определяют направление деформации (течение) металла заготовки. При ковке используются подкладные инструменты такие как: топор, раскатка, обжимка. При ковке выполняется протяжка, осадка, гибка, пробивание или прошивание отверстий, выглаживание, рубка.

При протяжке длина заготовки увеличивается за счёт уменьшения её поперечного. Вначале куют на квадрат, что даёт наибольшую скорость деформации, после чего (если нужно) скругляют заготовку или формуют. Для протяжки заготовку кладут поперёк бойков, передвигая её кантуя на 90 градусов после каждого обжатия.

Для гибки нужен местный нагрев заготовки; для получения одинакового сечения по длине заготовки и в месте изгиба предварительно делают высадку. Для гибки заготовку зажимают между бойками молота. Для прошивания отверстий прошивень вбивают в заготовку приблизительно до половины её толщины, затем заготовку переварачивают и пробивают отверстие насквозь; расширяют и выравнивают отверстие с помощью бочкообразной оправки.

Для выглаживания крупных поковок производят лёгкие удары бойка молота, мелкие поковки выглаживают гладилками. Из ковочных молотов наибольшее распространение имеют пневматические и паровоздушные молоты.

Прокат - один из самых распространённых видов обработки металлов давлением.

Заключается в обжатии металла между двумя вращающимися в разные стороны валками. Силами трения заготовка затягивается в зазор между валками и обжимается по толщине. После прокатки увеличивается длина (происходит удлинение) и ширина (происходит уширение).

Прокаткой получают прокат различного назначения. Если температура прокатки выше температуры рекристаллизации, то прокатку называют горячей. Если температура прокатки ниже температуры рекристаллизации, то прокатку называют холодной.

Горячий прокат получают путём нагревания металла для повышения его пластичности, а холодный прокат получается в том случае, когда пластичность металла достаточна и без нагрева (например, у мягких марок стали).

Длина прокатных станов зависит от объёмов производства проката, от свойств полученной прокатанной стали и может быть очень большой. Например, протяжённость прокатного стана-2000 на комбинате «Северсталь» в Череповце несколько сотен метров. Часто на прокатном стане наряду с основной функцией проката совмещаются и дополнительные: резка металла на части, маркировка или клеймение, сматывание в рулоны, упаковка и другие.

Так как по годовой программе деталь относится к массовому типу производства, будет экономично изготовить его прокатом, чем штамповкой, так как при штамповке будет затрачено много металла, что плохо сказывается на экономический аспект. По ГОСТ 2690-2006 прокат можно использовать, если диаметр вала не превышает 270 мм.

По ГОСТ 2590-88 назначаем прокат 2060 мм, а диаметром 53.

5. Технологический процесс механической обработки деталей

Операционные припуски, напуски, допуски и размеры

Припуск - слой материала, подвергаемый снятию с заготовки при механической обработке. Припуск назначается в целях обеспечения точности действительных размеров, а также заданного качества поверхностного слоя обработанной детали.

Допуск - разность между наибольшим и наименьшим предельными значениями параметров (размеров, массовой доли, массы), задаётся на геометрические размеры деталей, механические, физические и химические свойства. Назначается (выбирается) исходя из технологической точности или требований к изделию. Любое значение параметра, оказывающееся внутри заданного интервала, является допустимым.

Напуск - это слой металла, который назначается сверх припуска, как, например, штамповочные или литейные уклоны, применяемые для облегчения извлечения штампованной поковки из штампа и отливки или модели из литейной формы.

Припуски и допуски на механическую обработку назначим по справочным данным (Материаловедение: Методические указания к курсовому проекту /Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Сост.: В.И. Болобов, С.Ю. Кувшинкин, С.Л. Иванов, Ю.П. Бойцов, А.Я. Бурак СПб, 2010, 32 с.).

Итак, первым шагом является назначение припусков в соответствии с ГОСТ'ом 7062-90. В качестве базового диаметра выбираем ступень D₃ (наибольший диаметр) - на нее не будет назначаться дополнительный припуск. Назначая припуски и допуски, следует составить расчетные выражения. Расчет припусков на диаметры (в зависимости от длины детали L=248,5 мм и соответствующего диаметра; величина дополнительного припуска назначается в зависимости от разности диаметров наибольшего и рассматриваемого сечений):

D₁'= D₁ + д₁ + д₁' Д₁/2 = 40 + 5 + 4 = 49 мм

D₂' = D₂ + д₂ + д₂' Д₂/2 = 42 + 5 + 4 = 51 мм

D₃' = D₃ + д₃ Д₃/2 = 47,3 + 5 = 52,3 мм

D₄' = D₄ + д₄ + д₄' Д₄/2 = 42 + 5 + 4 = 51 мм

D₅' = D₅ + д₅ + д₅' Д₅/2 = 40 + 6 + 4 = 50 мм

D₆' = D₆ + д₆ + д₆' Д₆/2 = 32 + 5 + 4 = 41 мм

D₇' = D₇ + д₇ + д₇' Д₇/2 = 20 + 5 + 3 = 28 мм

Припуски и напуски на длины определяются следующим образом: на обрубаемые ступени (на сторону обработки) принимается равным 1,5 припускам на диаметр рассматриваемой ступени; на остальные ступени припуск на длину на сторону обработки принимается равным 0,75 от припуска на рассматриваемый диаметр; отклонения (допуск) на длину принимается равным трем отклонениям на диаметр.

Расчёт поковочных размеров на длины:

l₁' = l₁ + 1,5 д₁ - 0,75 д₂ Д₁/2 = 21,75 + 1,5 · 5 - 0,75 · 5 = 25,5 мм

l₂' = l₂ + 0,75 д₂ - 0,75 д₂ Д₂/2 = 25 + 0,75 · 5 - 0,75 · 5 = 25 мм

l₃' = l₃ + 0,75 д₃ + 0,75 д₂ Д₃/2 = 39 + 0,75 · 5 + 0,75 · 5 = 46,5 мм

l₄' = l₄ + 0,75 д₄ - 0,75 д₃ Д₄/2 = 25 + 0,75·5 - 0,75 · 5 = 25 мм

l₅' = l₅ + 0,75 д₅ + 0,75 д₄ Д₅/2 = 51,75 + 0,75 · 6 - 0,75 · 5 = 52,5 мм

l₆' = l₆ + 0,75 д₆ - 0,75 д₅ Д₆/2 = 58 + 0,75 · 6 - 0,75 · 6 = 58 мм

l₇' = l₇ + 1,5 д₇ - 0,75 д₆ Д₇/2 = 22 + 1,5 · 5 - 0,75 · 5 = 25,75 мм

После разработки эскиза поковки определяется объём и масса поковки. Объём поковки вычисляется по формуле:

,

Где V_i - объём каждой ступени винта; D_i' - диаметр рассматриваемой ступени (поковочный размер); l_i' - длина рассматриваемой ступени (поковочный размер).

Расчётная масса поковки определяется по формуле:

,

где =7710 кг/м³ - плотность стали.

Объём поковки:

V₁ = р/4 · 49² · 25,5 = 48062 мм³

V₂ = р/4 · 51² · 25 = 51044 мм³

V₃ = р/4 · 52,3² · 46,5 = 99845 мм³

V₄ = р/4 · 51² · 25 = 51044 мм³

V₅ = р/4 · 50² · 52,5 = 103031 мм³

V₆ = р/4 · 50² · 58 = 76536 мм³

V₇ = р/4 · 28² · 25,75 = 15847 мм³

V_общ = 48062 + 51044 + 99845 + 51044 + 103031 + 76536 + 15847 = 0,00044 м³

Масса поковки: M_p = V · г = 0,00044·7710 = 3,4 кг

Окончательная масса поковки: М_пок = (1,02 - 1,03) · М_р = 3,5 кг.

Определение массы и размеров исходной заготовки

Масса исходной заготовки (проката) определяется по формуле:

М_пр = М_пок + М_уг + М_отх,

Где М_уг = (0,02+0,015m) М_пок - масса металла на угар (m-число подогревов);

М_отх = М_обс + М_выдры - масса технологических отходов (состоит из массы обсечек М_обс=0,03М_пок и массы выдры, которая в нашем случае равна 0, т.к. нет отверстий, получаемых ковкой).

Число подогревов m будет равно числу основных операций ковки. Т.к. в качестве исходной заготовки выбран прокат, то основными операциями будут протяжки на величину диаметров всех ступеней, кроме базовой. Т.е. m=3. Тогда масса исходной заготовки равна:

М_пр = М_пок + М_уг + М_отх = 3,5 + (0,02 + 0,015*6) * 3,5 + 0,03 * 3,5 = 4 кг

Из сортамента по ГОСТ 2590-88 выбираем прокат стальной горячекатаный круглый диаметром d=55 мм. Длину проката l определим, исходя их значений массы, плотности и объёма:

По формуле длина проката будет равна:

L = M/(с·0,782d²) = 4/(7710 · 0,785 · 0,05²) = 260 мм

Принимаем l = 260 мм (значение длины проката кратное 5).

Определение режимов нагрева и охлаждения

Операции свободной ковки проводятся над нагретыми (в мазутных или газовых печах) заготовками.

График горячей обработки до момента получения заданной по чертежу поковки состоит из следующих этапов: нагрева заготовки до критической температуры t_кр (температура структурных превращений); выдержки; нагрева до температуры ковки t_к с максимально возможной скоростью; выдержки; ковки; охлаждения поковки.

Общее время нагрева до температуры ковки складывается из времени нагрева до критической температуры и затем до температуры ковки. Для средне- и высоколегированных сталей время этих нагревов равно соответственно ф₁ = 13,3; ф₂ = = 6,7 (D - наименьший диаметр поковки): ф₁ = 13,3=6,2 с; ф₂ = = 6,7=3,1 с.

Продолжительность выдержек при критической и ковочной температурах принимают в пределах ф₁ + ф₂ = 9,3 с. Наличие выдержек при температурах t_кр и t_к вызвано необходимостью выравнивания разности температур по сечению слитка или заготовки. Эта разница температур всегда возникает при нагреве стали из-за её ограниченной теплопроводности. Чем больше сечение нагреваемой заготовки, тем продолжительнее должна быть выдержка.

Важное значение для получения высококачественных поковок имеет правильный выбор режима их охлаждения. Чрезвычайно высокие термические напряжения, возникающие в поковке при неправильном охлаждении, могут привести к появлению трещин.

Параметры (критическая, начальная и конечная температура ковки) температурных интервалов ковки для стали 45 (охлаждение на воздухе) представлены в таблице:

Температурные интервалы ковки

Марка стали	Ас1,0С	tкр,0С	tк,0С
45	715-800	1200	800

Список используемой литературы

1. Материаловедение: Методические указания к курсовому проекту /Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Сост.: В.И. Болобов, С.Ю. Кувшинкин, С.Л. Иванов, Ю.П. Бойцов, А.Я. Бурак СПб, 2010, 32 с.

2. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1984.

3. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1974.

4. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / Под ред. Манахова М.: Машиностроение 1974.

5. Ю.П. Бойцов, С.Л. Иванов. Методические указания к курсовому проектированию: Материаловедение. СПб, 2000.

Размещено на Allbest.ru

...