Тех.маш.Ч

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 износостой-

22

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

ИИХ 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 ротаци- онно-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 поступле-

23

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.

Всерийном 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.

Вмелкосерийном и единичном производствах применяются более простые, но менее производительные отрезные ножовочные станки.

Всравнении 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).

Впроизводстве 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 ро- тационно-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

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

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, из-

носостойкости, 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