Дипломный проект «Механический участок обработки деталей типа Вал» — полный пример с пояснениями

Введение. Обоснование актуальности и постановка цели дипломного проекта

Технический уровень и конкурентоспособность современного машиностроения напрямую определяются уровнем применяемых технологий. В условиях глобального рынка ключевой задачей становится эффективное производство машин заданного качества в установленные сроки и при наименьших затратах. Одним из самых распространенных и ответственных элементов в подавляющем большинстве механизмов является деталь типа «вал», предназначенная для передачи крутящего момента и поддержания вращающихся частей.

Сложность их геометрии, высокие требования к точности и качеству поверхностного слоя обуславливают необходимость проектирования и внедрения передовых, научно обоснованных технологических процессов. Неоптимальная организация производства ведет к увеличению себестоимости, снижению надежности и долговечности изделий. Именно поэтому разработка эффективных производственных участков для серийного выпуска таких деталей является критически важной и актуальной инженерной задачей.

Целью данного дипломного проекта является проектирование участка механической обработки для серийного производства детали «вал». Для достижения этой цели будут решены следующие задачи:

• Проведен анализ конструкции и технологичности детали.
• Разработан оптимальный технологический процесс изготовления.
• Подобрано современное оборудование и технологическая оснастка.
• Выполнены расчеты режимов резания и норм времени.
• Составлена планировка производственного участка.
• Проведено технико-экономическое обоснование проекта для доказательства его эффективности.

Раздел 1. Аналитическая часть. Исследуем конструкцию детали и ее технологичность

Первым шагом в проектировании является детальный анализ объекта производства. Рассматриваемый вал представляет собой ступенчатое тело вращения, включающее цилиндрические шейки для установки подшипников, посадочные поверхности для шкивов или зубчатых колес, а также элементы для фиксации — шпоночные пазы или шлицы. Его основное назначение — передача крутящего момента от одного узла механизма к другому.

Анализ чертежа детали показывает высокие требования к точности обработки: допуски на диаметры посадочных шеек находятся в пределах 6-7 квалитета точности, а требования к шероховатости поверхности (Ra) составляют 0.63-1.25 мкм, что достигается чистовыми операциями шлифования. Также заданы строгие допуски на биение поверхностей относительно общей оси, что критично для динамических характеристик узла. Конструкция в целом является технологичной, однако наличие шпоночных пазов требует применения фрезерных операций, что усложняет технологический маршрут.

В качестве материала для детали обоснованно выбрана сталь 45 — качественная углеродистая конструкционная сталь. Выбор обусловлен ее свойствами:

• Физические свойства: Обеспечивает достаточную прочность и жесткость для восприятия рабочих нагрузок.
• Технологические свойства: Хорошо обрабатывается резанием на большинстве станочных операций и подходит для термической обработки (закалки) с целью повышения твердоosti и износостойкости рабочих поверхностей.

В качестве заготовки для серийного производства наиболее целесообразно использовать горячекатаный пруток соответствующего диаметра. Этот выбор экономически оправдан. Размеры заготовки рассчитываются путем прибавления к номинальным размерам готовой детали припусков на все технологические операции (черновую, чистовую, шлифовальную обработку), а также на возможную деформацию после термообработки. Это гарантирует снятие дефектного поверхностного слоя и достижение требуемой точности и качества.

Раздел 2. Технологическая часть. Проектируем маршрут изготовления вала

На основе анализа детали и выбора заготовки разрабатывается технологический маршрут — строгая последовательность операций, превращающих заготовку в готовое изделие. Ключевым моментом на начальном этапе является выбор технологических баз. Для деталей типа «вал» в качестве черновых и чистовых баз используются центровые отверстия на торцах заготовки, которые обеспечивают наиболее точное позиционирование и минимальное радиальное биение при обработке на токарных и шлифовальных станках.

Типовой маршрут изготовления вала в условиях серийного производства выглядит следующим образом:

1. Отрезная операция: Резка прутка на мерные заготовки на отрезном станке.
2. Торцовочно-центровальная операция: Подрезка торцов в размер и сверление центровых отверстий с двух сторон.
3. Токарная черновая операция: Предварительная обработка всех ступеней вала с оставлением припуска под чистовую обработку. Обычно выполняется на токарном станке с ЧПУ для повышения производительности.
4. Токарная чистовая операция: Окончательная обработка ступеней, прорезка канавок и снятие фасок с точным соблюдением размеров, указанных на чертеже.
5. Фрезерная операция: Фрезерование шпоночных пазов или шлицев на универсально-фрезерном или специальном станке.
6. Термическая операция: Закалка ответственных поверхностей (шеек) токами высокой частоты (ТВЧ) для получения высокой твердости (HRC 45-50).
7. Шлифовальная операция: Шлифование закаленных шеек для достижения финальной точности и требуемой шероховатости поверхности.
8. Контрольная операция: Финальный контроль всех размеров, допусков формы и расположения поверхностей, а также шероховатости отделом технического контроля (ОТК).

Каждая операция детально описывается в технологической карте, где указывается используемое оборудование, режущий и мерительный инструмент, режимы резания и расчетное время выполнения. Такой подход обеспечивает стабильность и предсказуемость производственного процесса.

Раздел 3. Расчетная часть. Определяем режимы резания для ключевых операций

Для обеспечения производительности и качества обработки необходимо провести математический расчет режимов резания для наиболее ответственных операций, например, для чистовой токарной обработки. Расчет ведется в строгой последовательности, минимизирующей износ инструмента и обеспечивающей технологические требования.

Процесс аналитического расчета включает следующие этапы:

• Выбор глубины резания (t, мм): При чистовой обработке глубина резания обычно равна оставшемуся после черновой обработки припуску и снимается за один проход.
• Расчет подачи (S, мм/об): Величина подачи выбирается из справочных нормативов исходя из требуемой шероховатости поверхности и материала режущей части инструмента. Чем выше требования к чистоте поверхности, тем меньше значение подачи.
• Расчет скорости резания (V, м/мин): Скорость резания является ключевым фактором, влияющим на производительность и стойкость инструмента. Она рассчитывается по эмпирической формуле, учитывающей материал заготовки (сталь 45), материал инструмента (твердый сплав), глубину резания, подачу и период стойкости резца.
• Расчет частоты вращения шпинделя (n, об/мин): После определения скорости резания, частота вращения шпинделя вычисляется по формуле, связывающей скорость и диаметр обрабатываемой поверхности. Полученное значение корректируется в соответствии с паспортными данными станка.

Все расчеты производятся с использованием формул и поправочных коэффициентов из отраслевых справочников по режимам резания. На основе полученных данных производится нормирование технологического процесса — расчет основного (машинного) и вспомогательного времени на каждую операцию, что в итоге позволяет определить штучное время изготовления одной детали.

Раздел 4. Конструкторская часть. Подбираем станки, оснастку и инструменты

Обоснованный выбор оборудования является фундаментом для построения эффективного производственного участка. Подбор станков осуществляется на основе разработанного техпроцесса, расчетных режимов резания и годовой программы выпуска.

Для нашего проекта рекомендуется следующий парк основного оборудования:

• Токарные станки с ЧПУ: Для выполнения черновых и чистовых токарных операций. Станки с ЧПУ обеспечивают высокую точность, повторяемость и производительность в условиях серийного производства, а также возможность быстрой переналадки.
• Универсально-фрезерный станок: Для операции фрезерования шпоночных пазов. Его гибкость достаточна для решения данной задачи.
• Круглошлифовальный станок: Для финальной обработки закаленных шеек вала с целью достижения высокой точности и низкой шероховатости.

Выбор конкретных моделей производится по каталогам с учетом их технических характеристик: мощности привода, диапазонов частот вращения и подач, максимальных размеров обрабатываемой детали. Подбор режущего инструмента включает выбор токарных резцов с пластинами из современных твердых сплавов (например, Т5К10), концевых и шпоночных фрез, а также шлифовальных кругов соответствующей зернистости и твердости.

Для обеспечения качества на всех этапах необходим контрольно-измерительный инструмент: штангенциркули для операционного контроля, микрометры для точных измерений диаметров и специальные калибры-скобы для проверки посадочных поверхностей. Если в конструкции вала есть сложные элементы, может потребоваться проектирование специального станочного приспособления, например, для базирования и фиксации вала при фрезеровании шлицев, с расчетом необходимого усилия зажима для предотвращения смещения детали во время обработки.

Раздел 5. Организационная часть. Планируем производственный участок

После того как технологический процесс спроектирован и оборудование подобрано, необходимо перейти к пространственной организации производства. На основе годовой программы выпуска и рассчитанного штучного времени определяется тип производства как серийный. Это влияет на все последующие организационные решения.

Ключевыми шагами в планировании участка являются:

1. Расчет количества оборудования: Для каждой группы станков (токарные, фрезерные, шлифовальные) рассчитывается необходимое количество единиц. Расчет ведется исходя из годовой трудоемкости выполнения операции и эффективного годового фонда времени работы оборудования.
2. Расчет производственных площадей: Общая площадь участка складывается из площади, занимаемой основным оборудованием, а также вспомогательных площадей. К ним относятся рабочие зоны операторов, места для межоперационного складирования заготовок, проходы и проезды для персонала и транспорта, участки контроля ОТК и места для шкафов с инструментом.
3. Разработка схемы планировки: На основе расчета площадей разрабатывается графическая схема расположения оборудования. Основной принцип планировки — обеспечение прямоточности производственного процесса. Оборудование размещается в последовательности выполнения технологических операций, чтобы минимизировать длину транспортных маршрутов и избежать встречных потоков движения заготовок. Это позволяет сократить производственный цикл и повысить общую эффективность.

Раздел 6. Экономическое обоснование проекта

Финальный этап проектирования — это доказательство того, что созданный проект не только технически состоятелен, но и экономически целесообразен. Экономическое обоснование позволяет оценить финансовую привлекательность инвестиций в новый производственный участок.

Расчет ключевых технико-экономических показателей включает:

• Расчет капитальных вложений: Суммируются все затраты на приобретение и монтаж основного и вспомогательного технологического оборудования, оснастки и инструмента.
• Расчет себестоимости изготовления детали: Это один из важнейших показателей, включающий в себя стоимость материалов (заготовки), заработную плату основных производственных рабочих, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (амортизация, электроэнергия, ремонт), а также общецеховые и общезаводские накладные расходы.
• Определение годового экономического эффекта: Рассчитывается как разница между годовым объемом производства в оптовых ценах и полной годовой себестоимостью продукции. Можно также сравнивать приведенные затраты нового варианта с базовым (существующим).
• Расчет срока окупаемости инвестиций: Этот показатель определяет, за какой период времени чистая прибыль от реализации проекта покроет первоначальные капитальные вложения. Рассчитывается как отношение капитальных вложений к годовому экономическому эффекту.
• Расчет производительности труда: Определяется как отношение объема произведенной продукции к численности производственного персонала.

На основе этих расчетов делается итоговый вывод. Проект считается экономически эффективным, если он обеспечивает требуемую норму рентабельности, а срок окупаемости находится в приемлемых для отрасли пределах.

Раздел 7. Охрана труда, безопасность и заключение

Обеспечение безопасных условий труда является неотъемлемой частью любого инженерного проекта и регламентируется государственными нормативными актами. На проектируемом механическом участке должны быть предусмотрены все необходимые меры для защиты здоровья и жизни работников.

Основные мероприятия по охране труда и безопасности:

• Общая безопасность: Все станки должны иметь защитные экраны, ограждения движущихся частей и системы блокировки, исключающие запуск при открытых кожухах. Рабочие места должны быть свободны от посторонних предметов, а проходы не загромождены.
• Безопасность при работе на станках с ЧПУ: Особое внимание уделяется ограждению рабочей зоны для предотвращения выброса стружки и СОЖ. Операторы должны проходить специальное обучение и инструктаж.
• Производственная среда: Необходимо спроектировать систему общего и местного освещения, обеспечивающую достаточную освещенность на рабочих поверхностях. Также рассчитывается система приточно-вытяжной вентиляции для удаления паров смазочно-охлаждающей жидкости и металлической пыли.
• Противопожарная безопасность: Участок должен быть оснащен средствами пожаротушения (огнетушителями), а персонал должен быть проинструктирован о порядке действий при возникновении пожара. Горюче-смазочные материалы должны храниться в специально отведенных местах.

Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта была полностью достигнута его основная цель. На основе всестороннего анализа был спроектирован механический участок для серийного производства детали «вал». В рамках работы был разработан детальный технологический процесс, произведен аргументированный выбор современного высокопроизводительного оборудования, выполнены необходимые инженерные расчеты режимов резания и норм времени. Была предложена рациональная планировка участка, обеспечивающая эффективную логистику, и доказана экономическая целесообразность проекта. Разработанные мероприятия по охране труда гарантируют безопасность производственного процесса. Таким образом, созданный проект представляет собой комплексное инженерное решение, готовое к внедрению в производство.

Список источников информации

1. 1.Андрес А. А., Потапов Н. М., Шулешкин А. В. Проектирование заводов и механосборочных цехов в автотракторной промышленности. – М.: Машиностроение, 1982. – 271 с.
2. 2.Афонькин М. Г., Магницкая М. В. Производство заготовок в машиностроении. — Л.: Машиностроение, 1987. – 255 с.
3. 3.Балабанов А. Н. Краткий справочник технолога-машиностроителя. — М: Издательство стандартов, 1992. – 464 с.
4. 4.Бобровников Г..А Сборка в машиностроении с применением таблицы по деталям машин. М., Мшиностроение, 1978г.
5. 5.Колодонов И. Н., Макаров В. Д., Цыганов В. В. Методические указания к выполнению курсового проекта «Организация работы производственных участков машино-строительных предприятий». – СПб.: СЗТУ, 2002. – 92 с.
6. 6.Корчагина Р. Л., Фролова З. А. Экономическое обоснование технологических решений: Учебное пособие. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. – 207 с.
7. 7.Экономика предприятия./Под об. ред. А. Ф. Федосеенко. – Минск: Высш. школа, 1985. – 288 с.
8. 8.Локтева С. Е. Станки с программным управлением и промышленные роботы. – М.: Машиностроение, 1986. – 320 с.
9. 9.Марочник сталей и сплавов./Под ред. В. Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1976. – 654 с.
10. 10. Мосталыгин Г. П., Толмачевский Н. Н. Технология машиностроения. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.
11. 11. Общемашиностроительные нормы времени для технического нормирования. Серийное производство. – М.: Машиностроение, 1984. – 225 с.
12. 12. Основы технологии машиностроения: методические указания к выполнению курсовой работы. – СПб.: СЗПИ, 1998. – 45 с.
13. 13.Основы технологии машиностроения: письменные лекции./ Бородянский В. И., Ганзбург Л. Б., Клевцов В. А. и др. – СПб.: СЗПИ, 2000. – 147 с.
14. 14.Охрименко Я. М. Технология кузнечно-штампового производства. М.: Машиностроение, 1966. – 599 с.
15. 15.Панкрухин А. П. Маркетинг: Учебник – М.: Институт международного права и экономики им. Грибоедова, 1999. – 398 с.
16. 16. Панкрухин А. П. Маркетинг: Учебник – М.: Институт международного права и экономики им. Грибоедова, 1999. – 398 с.
17. 17.Проектирование производственных участков машиностроительных предприятий: учебное пособие./И. М. Ткалин, В. Л. Челышев, В. Д. Макаров. – СПб.: СЗПИ, 1997. – 30 с.
18. 18.Справочная книга по охране труда в машиностроении. /Г. В. Бектобеков, Н. Н. Борисова, В. И. Коротков и др.; Под общ. ред. О. Н. Русака. – Л.: Машиностроение, 1989. – 541 с.
19. 19.Справочная книга по охране труда в машиностроении. /Г. В. Бектобеков, Н. Н. Борисова, В. И. Коротков и др.; Под общ. ред. О. Н. Русака. – Л.: Машиностроение, 1989. – 541 с.
20. 20. Справочник технолога- машиностроителя. В 2-х т. Т. 1 /Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1986.
21. 21.Справочник технолога- машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 /Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985.
22. 22.Технологичность конструкции изделия: Справочник./Ю. Д. Амиров, Т. К. Алферова, П. Н. Волоков и др.; Под общ. ред. Ю. Д. Амирова. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 768 с.
23. 23.Технологичность конструкции изделия: Справочник./Ю. Д. Амиров, Т. К. Алферова, П. Н. Волоков и др.; Под общ. ред. Ю. Д. Амирова. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 768 с.
24. 24.Технологичность конструкции. Под ред. Афанасьева. М., Машиностроение, 1969г.
25. 25. Технология машиностроения: методические указания к выполнению контрольной работы. /Бородянский В. И., Клецков В. А., Лысов А. А., Помпеев К. П. – СПб.: СЗПИ, 1997. – 50 с.
26. 26. Технология машиностроения: методические указания к выполнению контрольной работы. /Бородянский В. И., Клецков В. А., Лысов А. А., Помпеев К. П. – СПб.: СЗПИ, 1997. – 50 с.
27. 27. Технология машиностроения: методические указания к выполнению курсового проекта./ Бородянский В. И., Ганзбург Л. Б., Лысов А. А., Помпеев К. П. – СПб.: СЗПИ, 1998, — 22 с.
28. 28. Технология машиностроения: методические указания к выполнению курсового проекта./ Бородянский В. И., Ганзбург Л. Б., Лысов А. А., Помпеев К. П. – СПб.: СЗПИ, 1998, — 22 с.
29. 29. Торговников Б. М., Табачник В. Е., Ефанов Е. М. Проектирование промышленной вентиляции: справочник. – Киев: Будивельник, 1983. – 256 с.
30. 30. Проектирование производственных участков машиностроительных предприятий: учебное пособие./И. М. Ткалин, В. Л. Челышев, В. Д. Макаров. – СПб.: СЗПИ, 1997. – 30 с.
31. 31. Технологическая оснастка производства. Макаров В.А. М.,1983-354 с.
32. 32. Маслов А.Е. Пичужкин С.А Проектирование технологических проспособлений. М.: Машиностроение, 1990. – 768 с.
33. 33. Ярош С.В Экономика на предприятии. М. Машиностроение,1977.- 234
34. 34. Худобин Л.В., Бердичевский Е.Г. Техника применения смазочно-охлаждающих средств в металлообработке. М., Машиностроение, 1986.- 265 с.
35. 41. Гельфгат Ю.И. Сборник задач и упражнений по технологии машиностроения: Учебное пособие для машиностр. техникумов. — 2-е издание — М. Высшая школа, 1986 .
36. 42. Горошкин А.К. Приспособления для металлорежущих станков. Справочник. 7-е изд. М.: Машиностроение, 1979.
37. 43. Данилевский В.В., Гельфгат Ю.И. Лабораторные работы и практические занятия по технологии машиностроения: Учебное пособие для машиностроительных специальных техникумов. — 2-е издание — М. Высшая школа, 1988.
38. 44. Добрыднев И.С. Курсовое проектирование по предмету «Технология машиностроения». Учебное пособие. М.: Машиностроение. 1985.
39. 45. Дьячков В.Б., Кабатов Н.Ф., Носимов М.У. «Специальные металлорежущие станки общемашиностроительного применения». Справочник. М.Машиностроение, 1983
40. 46. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Основные по-ложения. (ГОСТ 2.105-79). Издание официальное. Издательство стандартов. М., 1984.
41. 47. Единая система технологической документации (ЕСТД). (ГОСТ 3.1001-81…3.1120-83). Издание официальное. Издательство стандартов. М. 1983.
42. 48. Краткий справочник металлиста / Под ред. П.Н. Орлова и Е.А. Скороходова, Изд. 3-е. М.: Машиностроение, 1986.
43. 49. Козловский Н.С., Виноградов А.Н. Основы стандартизации, допуски, посадки и технические измерения: Учебник для учащихся техникумов. — 2-е изд. — М.: Машиностроение, 1982.
44. 50. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова — М. Машиностроение, 1990.
45. 51. Кузнецов Ю.И., Маслов А.Р., Байков А.Н. Оснастка для станков с ЧПУ: Справочник. — 2-е издание — М.: Машиностроение, 1990.