Что такое технологический процесс изготовления детали вал
Технология изготовления валов — это упорядоченная последовательность операций, которая превращает заготовку в готовую деталь с размерами, точностью и твёрдостью по чертежу. Технологический процесс изготовления вала описывает её формально. Формально это часть производственного процесса, где меняется форма, размеры и физико-механические свойства предмета труда.
Разработка технологического процесса изготовления детали вал отвечает на четыре вопроса: из чего делать (заготовка и материал), откуда мерить (базы), в каком порядке обрабатывать (маршрут) и на каких режимах (операционная карта). Ошибка на любом из этих шагов вылезет в браке — и почти всегда на финишной операции, когда деталь уже дорогая.
Разработка вала как детали и разработка конструкции вала — задача конструктора. Технолог получает готовый чертёж и отвечает за то, как эту деталь физически сделать. Ниже — рабочая методика, по которой мы ведём технологическое изготовление вала в цеху. Она же годится как каркас для курсовой: по каждому разделу указаны ГОСТы и формулы.
Исходные данные: чертёж, программа выпуска, тип производства
Разработка детали вал и её техпроцесса начинается не с выбора станка, а с анализа чертежа детали вал. Технолог смотрит на квалитеты, шероховатость, допуски формы и расположения, требования к твёрдости. Именно из чертежа вытекает, сколько операций понадобится: деталь с Ra 6,3 обходится точением, а Ra 0,63 обязательно требует шлифования.
Второй исходник — годовая программа выпуска. Она определяет тип производства, а тип производства определяет буквально всё: от вида заготовки до того, будете вы делать специальное приспособление или обойдётесь трёхкулачковым патроном.
Как определить тип производства
По коэффициенту закрепления операций Кзо согласно ГОСТ 3.1108-74. Это отношение числа всех технологических операций к числу рабочих мест.
| Тип производства | Кзо | Заготовка | Оборудование | Приспособления |
|---|---|---|---|---|
| Единичное | свыше 40 | Прокат, поковка свободной ковки | Универсальное | Универсальные |
| Мелкосерийное | 20 — 40 | Прокат, поковка | Универсальное, ЧПУ | Универсально-наладочные |
| Среднесерийное | 10 — 20 | Штамповка, поковка | ЧПУ, обрабатывающие центры | Специализированные |
| Крупносерийное | 1 — 10 | Точная штамповка | Полуавтоматы, автолинии | Специальные |
| Массовое | 1 | Штамповка, точное литьё | Автоматические линии | Специальные |
На практике границы размыты. Партия 30 штук в год — это единичное производство, и городить штамп под неё бессмысленно: заготовкой будет пруток, а вся точность заберётся на ЧПУ. Партия 5 000 штук окупает штамп за первый же квартал.
Выбор заготовки для изготовления вала
Заготовки для изготовления валов бывают четырёх типов. Для изготовления валов используют прокат, поковку, штамповку и трубу. Выбор идёт по критерию себестоимости, но упирается в коэффициент использования материала КИМ — отношение массы готовой детали к массе заготовки.
| Заготовка | КИМ | Когда применяют | Ограничение |
|---|---|---|---|
| Круглый прокат | 0,55 — 0,70 | Единичное и мелкосерийное, гладкие и малоступенчатые детали | Много металла в стружку при большом перепаде ступеней |
| Кованая поковка | 0,70 — 0,85 | Крупные диаметры, коленчатые, ответственные нагруженные | Дорогая оснастка нагрева, длинный цикл |
| Штамповка | 0,85 — 0,92 | Серийное и массовое, сложный ступенчатый профиль | Окупается от 1 000–2 000 шт |
| Труба | 0,80 — 0,90 | Полые детали, снижение массы вращающихся узлов | Только там, где нужен внутренний канал |
Диаметр заготовки вала из проката считают по наибольшей ступени плюс припуск на черновую обработку. Длину — по наибольшей длине вала плюс припуск на подрезку двух торцов и отрезку. Способы изготовления валов при этом не меняются: резание — основной метод изготовления валов в единичном и мелкосерийном производстве.
Сталь для изготовления валов: марки и выбор материала
Материал для изготовления валов подбирают по нагрузке, характеру нагружения и среде. Марку стали для изготовления валов часто задаёт конструктор, но если в чертеже её нет — выбор ложится на технолога. Сталь, применяемая для изготовления валов и осей, почти всегда конструкционная: углеродистая, легированная или цементуемая.
| Марка | Термообработка | Твёрдость | Где применяют |
|---|---|---|---|
| Ст45 | Нормализация или без ТО | HB 190 — 220 | Тихоходные передачи, оси, слабонагруженные детали |
| 40Х | Улучшение | HRC 25 — 32 | Средненагруженные, редукторные, приводные |
| 40ХН | Улучшение + ТВЧ шеек | HRC 45 — 50 | Ударные нагрузки, реверсивные приводы |
| 18ХГТ, 20Х | Цементация + закалка | HRC 58 — 62 (поверхность) | Шлицевые, вал-шестерни, зубчатый венец |
| 40ХН2МА | Улучшение | HRC 30 — 36 | Тяжелонагруженные, большие сечения |
| 20Х13, 40Х13 | Закалка + отпуск | HRC 40 — 50 | Насосы, влажная и слабоагрессивная среда |
| 12Х18Н10Т | Без упрочняющей ТО | HB 170 — 200 | Пищевое, химическое оборудование |
| ВЧ50, ВЧ60 | Нормализация | HB 190 — 250 | Коленчатые, где важно виброгашение |
Логика проста: чем выше контактные напряжения на шейке, тем нужнее твёрдая поверхность при вязкой сердцевине. Цементуемые стали дают такое сочетание, но требуют припуска под шлифование после закалки — иначе размер уйдёт.
Базы при изготовлении вала
Базы при изготовлении вала — это поверхности, от которых ведут измерение и по которым ориентируют деталь на станке. Для тел вращения технологической базой служат центровые отверстия по ГОСТ 14034-74. Их назначают на второй операции и сохраняют до контрольной.
Работают два принципа:
- Единство баз. Технологическая база совпадает с конструкторской и измерительной. Ось детали задана центрами — от неё же конструктор проставил радиальное биение.
- Постоянство баз. Одна и та же база используется на всех операциях: черновом и чистовом точении, шлицефрезеровании, круглом шлифовании. Погрешность перебазирования не накапливается.
Первую операцию — фрезерование торцов и центрование — выполняют, базируя пруток по наружной цилиндрической поверхности в призмах или в патроне. Это черновая база, она используется ровно один раз.
Типовой маршрут изготовления вала: 16 операций
Ниже типовой технологический процесс изготовления валов для ступенчатого вала среднего размера из улучшаемой стали. Типовые маршруты изготовления валов укрупнённо делятся на четыре стадии, а маршрутная карта изготовления вала оформляется на их основе.
| № | Операция | Содержание | Оборудование |
|---|---|---|---|
| 005 | Заготовительная | Отрезать пруток в размер с припуском на подрезку торцов | Ленточнопильный станок |
| 010 | Фрезерно-центровальная | Фрезеровать два торца, центровать. Назначение технологической базы | МР-71М |
| 015 | Токарная черновая | Точить ступени с припуском 1,5–2 мм на сторону, установ в центрах | Токарный центр с ЧПУ |
| 020 | Токарная получистовая | Точить ступени с припуском под шлифование, точить канавки | Токарный центр с ЧПУ |
| 025 | Термическая | Улучшение: закалка + высокий отпуск до HRC 25–32 | Камерная печь |
| 030 | Правильная | Править поводку после ТО, биение не более 0,2 мм | Пресс гидравлический |
| 035 | Центрошлифовальная | Править центровые отверстия после ТО | Центрошлифовальный |
| 040 | Токарная чистовая | Точить окончательно, нарезать резьбу, снять фаски | Токарный центр с ЧПУ |
| 045 | Шпоночно-фрезерная | Фрезеровать шпоночный паз по ГОСТ 23360 | Фрезерный центр |
| 050 | Шлицефрезерная | Нарезать шлицы червячной фрезой (при наличии в чертеже) | Шлицефрезерный |
| 055 | Сверлильная | Сверлить и нарезать резьбу в торцах, смазочные отверстия | Сверлильный / центр |
| 060 | Термическая | ТВЧ-закалка посадочных шеек до HRC 45–50 | Установка ТВЧ |
| 065 | Круглошлифовальная черновая | Шлифовать шейки с припуском 0,05–0,1 мм | Круглошлифовальный |
| 070 | Круглошлифовальная чистовая | Шлифовать окончательно до Ra 0,32–0,63 | Круглошлифовальный |
| 075 | Слесарная | Зачистить заусенцы, притупить острые кромки | Верстак |
| 080 | Контрольная | Проверить размеры, биение, твёрдость, шероховатость | Стол ОТК |
Между 075 и 080 в реальном цеху всегда стоит моечная операция. В курсовых её обычно опускают, хотя без промывки контроль шероховатости эталонами сравнения даёт неверный результат.
Операционная карта: пример на ступенчатый вал Ø60 из стали 40Х
Разберём операцию 015 — токарную черновую. Это пример технологического процесса изготовления вала на конкретных цифрах: изготовление вала Ø60 из ст.40Х. Заготовка — пруток Ø65, длина 420 мм. Требуется выточить ступень Ø60h9 на длине 180 мм. Изготовление вала на токарном станке с ЧПУ выполняется в центрах.
| Переход | Инструмент | t, мм | S, мм/об | V, м/мин | n, об/мин |
|---|---|---|---|---|---|
| Точить черновым проходом Ø65 → Ø61 | Резец проходной, T5K10 | 2,0 | 0,50 | 120 | 590 |
| Точить получистовым Ø61 → Ø60,4 | Резец проходной, T15K6 | 0,3 | 0,25 | 160 | 835 |
| Точить канавку 3×0,5 | Резец канавочный | 0,5 | 0,08 | 90 | 475 |
Частоту вращения шпинделя получают из скорости резания:
Основное машинное время на один проход:
Для первого перехода: L = 180 мм, врезание и перебег суммарно 5 мм, один проход, n = 590, S = 0,5. Получаем Tо = 185 / (590 · 0,5) ≈ 0,63 мин.
Припуски под шлифование
| Диаметр шейки | Припуск после чистового точения | Припуск, если между ними ТВЧ |
|---|---|---|
| до 20 мм | 0,20 — 0,30 мм | 0,40 — 0,50 мм |
| 20 — 50 мм | 0,30 — 0,40 мм | 0,50 — 0,60 мм |
| 50 — 80 мм | 0,40 — 0,50 мм | 0,60 — 0,80 мм |
| свыше 80 мм | 0,50 — 0,70 мм | 0,80 — 1,00 мм |
Припуск даётся на диаметр, не на сторону. Увеличенное значение после закалки нужно, чтобы гарантированно снять обезуглероженный слой и компенсировать поводку.
Термообработка внутри маршрута
Термообработка — не отдельная услуга, а операция маршрута, и её место жёстко определено.
- Улучшение (закалка + высокий отпуск) — между черновым и чистовым точением. Даёт вязкую однородную структуру по всему сечению, HRC 25–35.
- Цементация + закалка — после лезвийной обработки профиля, до шлифования. Насыщает поверхность углеродом на глубину 0,8–1,5 мм, HRC 58–62.
- ТВЧ-закалка — точечно на посадочные шейки, после всей лезвийной обработки. HRC 45–58, глубина слоя 1,5–3 мм.
- Отжиг для снятия напряжений — для нежёстких и крупногабаритных, между черновой и получистовой стадией.
Технологический процесс изготовления шлицевого вала
Технологический процесс изготовления шлицевого вала отличается от базового маршрута одной-двумя операциями, но с высокими требованиями.
Прямобочные шлицы по ГОСТ 1139 нарезают шлицефрезерованием червячной фрезой методом обката. Для глухих участков, где фреза не выходит, применяют шлицедолбление. Эвольвентные шлицы по ГОСТ 6033 нарезают той же червячной фрезой, но с эвольвентным профилем зуба.
Ключевой вопрос — центрирование. Оно бывает по наружному диаметру D, по внутреннему d или по боковым сторонам b. От выбора зависит финишная операция:
| Центрирование | Финиш | Применение |
|---|---|---|
| По наружному Ø D | Шлифование наружного диаметра | Незакалённые, HRC до 35. Самое дешёвое |
| По внутреннему Ø d | Шлифование впадин фасонным кругом | Закалённые. Точное, дорогое |
| По боковым сторонам b | Шлифование боковых поверхностей | Реверсивные передачи с ударной нагрузкой |
Нормирование изготовления шлицевого вала считают отдельно: шлицефрезерование методом обката на детали Ø40 с числом шлицев Z=8 занимает 8–14 минут машинного времени против 2–3 минут на точение той же ступени.
Технологический процесс изготовления вала шестерни
Технологический процесс изготовления вала шестерни отличается одной операцией: в маршрут встраивают зубонарезание. Зубчатый венец нарезают червячной фрезой на зубофрезерном станке (метод обката) либо долбяком на зубодолбёжном, если венец расположен вплотную к буртику и фреза не выходит.
Порядок такой: черновое точение → улучшение → чистовое точение → зубофрезерование → шевингование → цементация и закалка → шлифование шеек → зубошлифование (для степени точности выше 7-й по ГОСТ 1643).
Технология изготовления вала шестерни требует контроля не только размеров, но и параметров зацепления: колебания измерительного межосевого расстояния, длины общей нормали, пятна контакта.
Технология изготовления коленчатого вала
Технология изготовления коленчатого вала — самая сложная в классе. Шатунные шейки смещены относительно оси вращения на радиус кривошипа, поэтому их обрабатывают на смещённых центрах — деталь дважды перебазируют.
- Заготовка — кованая поковка или отливка из ВЧ50 (для двигателей средней мощности).
- Фрезерование торцов, центрование по коренным шейкам.
- Черновое точение коренных шеек на основных центрах.
- Перебазирование на смещённые центры, точение шатунных шеек.
- Сверление масляных каналов.
- Термообработка: улучшение, затем ТВЧ шеек до HRC 50–58.
- Шлифование коренных на основных центрах, шатунных — на смещённых.
- Полирование шеек лентой, промывка каналов.
- Динамическая балансировка со сверлением противовесов.
Материал изготовления коленчатого вала выбирают между сталью 45 или 40Х с ТВЧ и высокопрочным чугуном ВЧ50. Чугун дешевле и лучше гасит крутильные колебания, сталь прочнее на изгиб.
Технология изготовления нежёстких валов и длинных деталей
Нежёстким считают вал, у которого отношение длины к диаметру L/D больше 10–12. Такая деталь прогибается под усилием резания, и точить её обычными режимами нельзя — получится «бочка».
Что меняют в техпроцессе изготовления вала:
- Обработка с подвижным люнетом, который движется за резцом и подпирает деталь в зоне резания.
- Подачу снижают на 30–40%, глубину резания — вдвое, число проходов растёт.
- Вводят промежуточную правку и отжиг для снятия внутренних напряжений между стадиями.
- Применяют резцы с малым главным углом в плане: радиальная составляющая силы резания, которая и гнёт деталь, уменьшается.
- Заднюю бабку поджимают вращающимся центром с контролем усилия — перетяжка изгибает деталь не хуже резца.
Нормирование: как считают время
Штучное время на операцию складывается из четырёх составляющих:
Для серийного производства пользуются штучно-калькуляционным временем, куда входит подготовительно-заключительное время, разнесённое на партию:
Отсюда виден экономический смысл серии. Наладка токарного центра с написанием управляющей программы занимает 3–5 часов. На партии в 1 штуку эти 240 минут ложатся целиком на деталь. На партии в 50 штук — по 4,8 минуты. Поэтому изготовление детали вал поштучно всегда дороже серийного в разы, и это не жадность цеха, а арифметика. Валы массового производства нормируют по Tшт, единичного — по Tшт-к.
Документация: маршрутная, операционная и технологическая карта
Оформление техпроцесса регламентировано ЕСТД. Три основных документа:
| Документ | ГОСТ | Что содержит |
|---|---|---|
| Маршрутная карта | 3.1118-82 | Весь маршрут: номера и наименования операций, цех, участок, оборудование, разряд работы, нормы времени |
| Операционная карта | 3.1404-86 | Одна операция: переходы, инструмент, приспособления, режимы резания, эскиз базирования |
| Карта эскизов | 3.1105-84 | Графическое изображение детали на операции с указанием баз, зажимов и обрабатываемых поверхностей |
Обозначение операций — по классификатору ГОСТ 3.1109-82. Нумерация кратна пяти (005, 010, 015) — чтобы можно было вставить операцию, не перенумеровывая весь маршрут.
Технологическая карта изготовления вала в курсовой работе — это, как правило, комплект из маршрутной карты, двух-трёх операционных на ключевые операции и карт эскизов к ним. Если тема звучит как «разработка технологического процесса изготовления детали типа вал», от вас ждут именно этот комплект плюс расчёт режимов и норм времени.
Пять ошибок, которые встречаются чаще всего
- Шлифование до термообработки. Закалка коробит деталь и покрывает окалиной. Весь труд шлифовщика уходит впустую.
- Отсутствие правки центров после ТО. Деталь шлифуют по деформированным центрам и получают биение при формально верных диаметрах.
- Нарушение принципа постоянства баз. Одну ступень точили в патроне, другую в центрах — соосность ушла.
- Припуск под шлифование без учёта закалки. Обезуглероженный слой остаётся на поверхности, шейка изнашивается за месяцы.
- Резьба и шпоночный паз до ТВЧ без экранирования. Резьба закалилась и стала хрупкой.
Вопросы и ответы
Нужна деталь, а не курсовая?
ООО «Катана» ведёт весь маршрут у себя: точение на ЧПУ, шлицы, термообработка, круглое шлифование, контроль. Разработаем техпроцесс и чертёж по вашему образцу. От 1 штуки, срок от 3 дней.
