Фирменный Автосервис

 

 

Ступенчатые валы

Ступенчатые валы

Валы предназначены для передачи крутящих моментов и монтажа на них различных деталей и механизмов. Конструктивно ступенчатые валы подразделяют на гладкие, фланцевые и валы-шестерни. В общем случае они представляют собой сочетание гладких посадочных и непосадочных, шлицевых, шпоночных, резьбовых и переходных поверхностей. Для уменьшения массы валов их часто выполняют пустотелыми. Если отношение длины вала к среднему диаметру L/D < 12, вал считают жестким, при L/D > 12 вал является нежестким.
Технические требования, предъявляемые к валам, характеризуются следующими данными. Диаметральные размеры посадочных шеек выполняют по IT1, IT6, реже по IT5, других шеек по IТ10, IT1l, допуски на длину ступеней вала назначают в пределах 0,1... 0,4 мм.
Допуски формы - отклонения от круглости, цилин-дричности и прямолинейности - обычно составляют часть допуска Тi на выполняемый диаметральный размер (для тел вращения, например, до 0,3Ti). Допуски расположения - отклонения от параллельности шпоночных канавок или шлицевых поверхностей относительно оси -не превышают 0,1 мкм на 1 мм длины, отклонения от перпендикулярности для опорных заплечиков под подшипники и привалочных фланцевых поверхностей валов выполняют с точностью < 0,1 мкм, соосность поверхностей в пределах 0,01... 0,03 мм. Неравномерность шага шлицевых поверхностей, их смещение относительно оси должно быть не более 0,02 мм. Допускаемые биения посадочных шеек относительно базовых поверхностей не должны превышать 0,01... 0,03 мм, а непосадочных 0,05 ... 0,10 мм. Шероховатость поверхности посадочных шеек Ra = 0,08 ... 0,63 мкм, непосадочных Ra = = 3,2... 10мкм.
Валы, работающие с высокой частотой вращения, подвергают динамической балансировке, их дисбаланс не должен превышать 12 ... 40 г-мм. Ступенчатые валы изготавливают из сталей 25, 35, 40, 45, 35Х, 40Х, 40ХН, 45ХНМ, 38Х2ЮА, 38Х2МЮА и других, подвергаемых для повышения износостойкости и физико-механических свойств материала различным видам термической обработки. Валы из малоуглеродистой стали 25 цементируют на глубину 0,7... 1,2мм, обеспечивая твердость после закалки и отпуска в пределах HRCэ 55 ... 58. Среднеуглеродистые стали подвергают улучшению, нормализации или поверхностной закалке. Валы из высоколегированных сталей 38Х2ЮА, 38Х2МЮА, работающие при высоких скоростях скольжения, азотируют на глубину 0,3 ... 0,4 мм, обеспечивая твердость HV 1000.
Заготовки для ступенчатых валов в серийном производстве при небольших перепадах диаметров ступеней получают резкой из горячекатаного проката. При значительных перепадах диаметров ступеней заготовки валов изготавливают ковкой на молотах или прессах. В крупносерийном и массовом производствах заготовки ступенчатых валов изготавливают штамповкой из проката,
высадкой на горизонтально-ковочных машинах, обжатием на радиально-ковочных машинах, поперечно-клиновой прокаткой. Эти методы (кроме последнего) обеспечивают коэффициент использования материала Ки,м ≈ 0, 7. При поперечно-клиновой прокатке Ки.м = 0,85 и выше. Типовой ТП изготовления заготовок состоит из следующих операций: отрезания заготовки из проката, нагревания заготовки до температуры ковки, непосредственного формоизменения, удаления заусенцев или облоя, термической обработки, правки заготовки. После пластического деформирования заготовку подвергают термической обработке с целью снятия остаточных напряжений и обеспечения необходимой структуры металла.
Конструкция вала, его размеры и жесткость, технические требования, программа выпуска - основные факторы, определяющие технологию изготовления и применяемое оборудование.
При обработке заготовок валов в качестве технологических баз используют центровые отверстия, которые позволяют обрабатывать почти все наружные поверхности вала на единых базах с установкой в центрах.
Жесткие требования на линейные размеры обеспечивают применением плавающего переднего центра и базированием заготовки по торцу, от которого выдерживают размеры при токарной обработке и шлифовании заплечиков. Это исключает влияние погрешности зацентровки вала на точность линейных размеров.
Маршрут обработки заготовок в центрах включает обычно следующие операции: создание базовых поверхностей; черновое обтачивание; чистовое обтачивание; черновое шлифование шеек; фрезерование шлицев; фрезерование шпоночных пазов; сверление отверстий; нарезание резьб; термическая обработка; зачистка центров; шлифование шлицев; окончательное шлифование шеек; микрофиниширование шеек вала; контроль размеров. Для обеспечения заданной точности в маршруте неоходимо соблюдать принцип постоянства баз при обработке практически всех ответственных поверхностей: посадочных шеек, торцевых заплечиков, боковых поверхностей шпоночных пазов и шлицев, а также обеспечивать соосность шеек и внутренних поверхностей. Точность обработки после каждого перехода повышается, число переходов для каждой элементарной поверхности зависит от точности исходной заготовки и технических требований на деталь.
Обработку заготовок нежестких валов ведут с использованием в схеме установки дополнительных опор: неподвижных и подвижных люнетов. Для применения неподвижного люнета в маршрут изготовления такого вала включают дополнительные операции обработки шейки под люнет (а в ряде случаев и контрольных поясков, используемых при выверке заготовок на станке). Такую шейку выполняют на середине заготовки, а неподвижный люнет устанавливают на станине станка. Подвижный люнет располагают на суппорте токарного станка, выполняющем подачу: при этом опорные ролики люнета контактируют с обрабатываемой поверхностью. Кроме того, если допускают технические требования, маршрут изготовления нежестких валов дополняют операциями правки. На стадии выполнения операций обработки стараются уменьшить силы резания, уменьшая глубину резания и подачу инструмента, а также изменяя у резцов главный угол в плане.
Ступенчатые валы изготавливают различными сериями, используя для этого разные структурные схемы операций и оборудование, однако общая последовательность операций остается одинаковой для любого типа производства.
В серийном производстве при отсутствии специального оборудования базовые поверхности валов обрабатывают на токарном станке за два установа. Заготовку закрепляют в патроне, подрезают торец, центровым сверлом обрабатывают отверстия. После перезакрепления переход повторяют. Смена баз и перезакрепление заготовки приводят к погрешности расположения осей центровых отверстий относительно оси, из-за которой в процессе обработки заготовка будет базироваться по кромкам конических поверхностей, вызывая их смятие и погрешности формы. Создание базовых поверхностей таким способом характерно для заготовок валов, осей, торсионов и требует с целью повышения точности обработки введения в процесс дополнительных операций правки и восстановления базовых поверхностей. Центровые отверстия по большому диаметру D конуса (рис. 1, а, ь) обрабатывают с допуском ТD = 0,2 ... 0,5 мм, что вызывает изменение глубины центрового отверстия на 0,17 ... 0,43 мм. Такое изменение глубины при отсутствии опорной торцевой базы приведет к погрешности линейных размеров.
В крупносерийном и массовом производствах для обработки базовых поверхностей применяют фрезерно-центровальные полуавтоматы МР-71,..., МР-74, автоматы А981 и А982. Для обработки заготовку устанавливают в призмы, в осевом положении базируют по торцевой поверхности, расположенной предпочтительно посредине вала с целью равномерного распределения припуска по торцам. На первой позиции торцевой фрезой обрабатывают торцы, на второй - центровые отверстия. Для обеспечения шероховатости конической поверхности с параметром Ra = 2,5 мкм центровому сверлу обеспечивают подачу 0,05 ... 0,06 мм/об. Соосность осей самоцентрирующих призм и шпинделей станка обеспечивает минимальную погрешность зацентровки.  В последнее время в крупносерийном и массовом производствах применяют однопозиционные станки, оснащенные торцеподрезным инструментом (рис. 1, г). Такая конструкция инструмента обеспечивает идентичность глубины центровых отверстий (размер l) и соответственно стабильность точности обработки линейных размеров. Инструмент работает со скоростью резания ~ 70 м/мин для пластин и ~ 20 м/мин для сверл.
Токарную обработку валов в серийном производстве выполняют на станках с ЧПУ моделей 16К20ФЗ, 16К20Т1.02, 1716ПФ30 и других, работающих по полуавтоматическому циклу. Оснащенные 6- и 8-позиционными инструментальными головками с горизонтальной осью поворота или с магазином эти станки применяют для обработки заготовок со сложным ступенчатым и криволинейным профилем, включая нарезание резьб. 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.
Время обработки на станках с ЧПУ по сравнению со станками с ручным управлением сокращается в 1,5... 2 раза за счет сокращения вспомогательного времени и интенсификации режимов резания.
В крупносерийном производстве обработку валов ведут на многорезцовых или гидрокопировальных полуавтоматах. Точность обработки на многорезцовом полуавтомате в значительной степени зависит от положения резцов в наладке. Неодновременное начало и окончание их работы вызывает изменение отжатий технологической системы, что приводит к возникновению погрешности формы обрабатываемых поверхностей. В общем случае точность обработки достигает IT10, IT1l, а точность линейных размеров, их стабильность выше, чем на обычных станках. Более эффективно многорезцовые полуавтоматы применяют при тонком обтачивании, обеспечивая точность IT9. Время наладки и подналадки гидрокопировальных станков в 2... 3 раза меньше времени наладки многорезцовых станков и составляет в среднем 30 мин. Точность обработки на гидрокопировальных станках соответствует IT10.
В последнее время с целью расширения технологических возможностей гидрокопировальных полуавтоматов их выпускают с многоинструментальными головками, устанавливают дополнительные каретки. На рис. 3 представлена схема обработки на гидрокопировальном многорезцовом полуавтомате. Заготовку устанавливают на центры, используя плавающий передний центр, координацию линейных размеров ведут от упора в левую торцевую поверхность. Поверхности вала обрабатываются резцом 1, им же обтачивается хвостовик. Резцом 2 обтачивается поверхность под шлицы, резцом 4 подрезается торец, а резцом 3 - канавка под стопорное кольцо. Иногда для подрезки торцев используют несколько резцов, расположенных в разных плоскостях.
В массовом производстве обработку валов ведут на автоматических линиях, скомпонованных из фрезерно-центровального и нескольких гидрокопировальных станков
с автоматической загрузкой и транспортировкой заготовок роботами портальной конструкции.
Точность обработки обеспечивают проведением при проектировании операции необходимых точностных расчетов, назначением на их основе режимов резания, а также использованием адаптивных систем управления. На станках с ЧПУ точность формы повышают путем предыскажения траектории движения инструмента.
Обработку шлицевых поверхностей валов ведут на шлицефрезерных станках червячными шлицевыми фрезами при установке заготовок в центрах. Если шлицевая поверхность предусматривает центрирование по наруж-нему диаметру, то обработку выполняют фрезами, имеющими у основания зубьев фланк для обработки фасок на вершинах шлицев. При центрировании вала по внутреннему диаметру шлицы обрабатывают фрезами с усиками для одновременного прорезания канавок во впадинах, чтобы облегчить процесс шлифования шлицев. Если центрирование соединения ведут по внутреннему диаметру и боковым поверхностям одновременно, то профиль зубьев фрезы имеет более сложную форму. Канавки во впадинах иногда обрабатывают дисковыми фрезами отдельно. Припуск на шлифование шлицев после термической обработки предусматривают до 0,1 мм на сторону. Шероховатость после фрезерования составляет по боковой поверхности Ra = 10 мкм, по дну впадины Ra = 5 мкм; точность обработки IT9, IT10. Шлифованием шлицевых поверхностей точность обработки повышают до IT8, IT9, погрешность шага до 0,01 мм, а шероховатость поверхности снижают до Ra = 0,63 по дну и Ra = 1,25 мкм по боковой поверхности.
Шлицевые поверхности с эвольвентным профилем нарезают фрезами с прямолинейным профилем зуба.
Фрезерование открытых шпоночных пазов выполняют дисковыми срезами на шпоночно-фрезерных станках. Закрытые шпоночные пазы (рис. 4) обрабатывают шпоночными, концевыми или сверлопазовыми фрезами. Для облегчения работы шпоночных и концевых фрез вначале сверлят отверстие на полную глубину паза сверлом меньшего диаметра, чем ширина паза. Затем осевой подачей вводят фрезу и обрабатывают паз.
В серийном производстве обработку таких пазов ведут методом "маятниковой подачи", используя шпоночные фрезы (см. рис. 4). В результате на боковых поверхностях пазов появляются продольные риски. Для обеспечения натяга в соединении паз калибруют зачистным проходом, который выполняют с применением патрона, регулирующего эксцентриситет фрезы. Точность ширины паза достигает IT8, IT9 при шероховатости боковой поверхности Ra = 5 мкм. Смазочные отверстия различного назначения в зависимости от конструкции вала обрабатывают на сверлильных станках с вертикальной или горизонтальной осью расположения шпинделя.
Нарезание резьб на валах в массовом производстве производят инструментами из твердого сплава на автоматах и станках с ЧПУ, работающих по автоматическому циклу. Точность обработки резьбы соответствует полю допуска 6h. Перед резьбонарезанием шейки валов шлифуют с точностью до IT1. Менее ответственные резьбы на валах изготавливают резьбофрезерованием. В серийном производстве резьбы нарезают на токарно-винторезных станках обычным способом, а также на станках с ЧПУ.
Посадочные шейки валов шлифуют дважды: предварительно и окончательно методом продольного или врезного шлифования при установке заготовок в центрах. Предварительное шлифование обеспечивает точность IT8, IT9 с шероховатостью поверхности Ra = 0,4 ... 6,3 мкм. Окончательное шлифование, которое выполняют после термической обработки, обеспечивает точность IT6, IT7 с параметром шероховатости Ra = 0,2... 3,2 мкм.
В большинстве случаев валы шлифуют методом продольного шлифования, для которого характерно равномерное изнашивание круга в процессе работы, его самозатачивание, минимальное тепловыделение и лучшее качество поверхности. Для совмещенного шлифования характерна одновременная обработка всей шлифуемой 'поверхности широким кругом (рис. 5). В этом случае возможна и обработка торцевых заплечиков. Обработка вала совмещенным шлифованием ведется по автоматическому циклу, обеспечивая высокую производительность.
Точность формы шлифованных поверхностей определяется в значительной степени состоянием базовых поверхностей, поэтому перед окончательным шлифованием их исправляют конусными абразивными кругами на специальных станках.
В отдельных случаях при обработке высокоточных валов применяют тонкое шлифование, когда речь идет о шероховатости поверхности Ra = 0,025 ... 0,1 мкм, при этом снимаемый слой металла находится в пределах 0,05 ... 0,1 мм. Эту операцию выполняют на высокоточных станках с предварительной подготовкой круга, станка и охлаждающей жидкости.
Шейки валов шлифуют и на бесцентрошлифовальных станках методом проходного или врезного шлифования. Обрабатываемую заготовку 1 устанавливают на опорный нож 3 между шлифовальным 4 и ведущим 2 кругами (рис. 6). Вращение заготовки происходит за счет сил трения между заготовкой и ведущим кругом, а продольная подача достигается поворотом оси ведущего круга на определенный угол. Жесткость технологической системы бесцентрово-шлифовальных станков в 1,5 ... 2 раза выше жесткости круглошлифовальных станков. Это позволяет вести обработку со скоростью резания до 60 м/с. Точность обработки соответствует IT5, IT6. Бесцентровым шлифованием обрабатывают гладкие валы или валы, имеющие небольшие перепады ступеней с ограниченными размерами.
После шлифования валов острые кромки на поверхностях притупляют, переходные поверхности подвергают доработке, а посадочные поверхности - суперфинишированию. В крупносерийном и массовом производствах валы обрабатывают на автоматических линиях, которые компонуют из специальных станков, соединенных транспортными системами с роботами для установки и снятия заготовок, со средствами активного контроля и централизованным управлением.
Технический контроль валов предусматривает контроль всех ответственных размеров и параметров. С этой целью применяют многомерные контрольные стенды и приспособления, оснащенные различными приборами.


Обработка давлением Рычаги и шатуны Шатуны Содержание процесса управления качеством продукции  Токарная обработка Сборка зубчатых и червячных передач Совершенствование системы управления качеством выпускаемой продукции на промышленном предприятии Получение заготовок из проката Рисунок 1 к практической 3 Рисунок 2 к практической работе 3 

 

Образовательный сайт Бармашовой Л.В.

Рассылки Subscribe.Ru
Современное образование
Подписаться письмом