Разработка технологического процесса изготовления детали «Рычаг» с детальным расчетно-аналитическим обоснованием

В условиях современного машиностроения, где постоянно возрастают требования к точности, надежности и экономической эффективности производства, проектирование технологических процессов приобретает решающее значение. Деталь «Рычаг» является типовым представителем класса деталей, широко используемых в механизмах для передачи и преобразования движения или силы. Её конструктивные особенности, такие как наличие шлицевого отверстия, базовых цилиндрических поверхностей и относительно сложной формы, предъявляют повышенные требования к выбору методов обработки, точности расчетов и обоснованности технологических решений.

Настоящий курсовой проект посвящен разработке исчерпывающего технологического процесса изготовления детали «Рычаг». Основная цель работы — обеспечить высокое качество детали при оптимальных производственных затратах за счет применения передовых методов технологического проектирования и детального инженерного анализа. В рамках проекта будут решены следующие задачи: определен тип производства, проведен анализ технологичности конструкции, обоснован выбор заготовки, разработан технологический маршрут, выполнен расчет межоперационных припусков с использованием расчетно-аналитического метода, рассчитаны режимы резания для ключевых операций, а также спроектирован специальный инструмент – шлицевая протяжка и контрольный калибр, отвечающие требованиям действующих государственных стандартов.

Анализ исходных данных и обоснование типа производства

Определение и характеристика типа производства

Выбор оптимального типа производства — это первый и один из наиболее значимых этапов в проектировании технологического процесса. От него зависят структура производства, степень специализации оборудования, характер применяемой оснастки и, в конечном итоге, экономическая эффективность всего цикла изготовления детали. Тип производства представляет собой классификационную категорию, определяемую по признакам широты номенклатуры, регулярности и объема выпуска изделий, при этом различают три основных типа: единичное, серийное и массовое, каждый из которых имеет свои подтипы.

Для детали «Рычаг» ключевыми критериями для определения типа производства являются годовая программа выпуска (N_год) и масса детали. Рассмотрим типовую классификацию для деталей массой до 20 кг:

• Единичное производство: N_год < 50 шт. Характеризуется широкой номенклатурой, нерегулярным выпуском, применением универсального оборудования и высокой долей ручного труда.
• Мелкосерийное производство: 50 ≤ N_год ≤ 500 шт. Изготовление изделий периодически повторяющимися малыми партиями, универсальное оборудование с элементами специализации.
• Среднесерийное производство: 501 ≤ N_год ≤ 5000 шт. Регулярный выпуск средними партиями, применение универсального и специализированного оборудования, широкое использование наладок и приспособлений.
• Крупносерийное производство: 5001 ≤ N_год ≤ 50000 шт. Изготовление изделий большими партиями, специализированное оборудование, автоматические линии, высокопроизводительный инструмент.
• Массовое производство: N_год > 50000 шт. Постоянный, непрерывный выпуск однотипных изделий, специализированное и специальное оборудование, автоматизация и поточное производство.

Допустим, для детали «Рычаг» годовая программа выпуска составляет N_год = 3000 шт., а масса детали — 3,5 кг. Исходя из этих данных, производство «Рычага» попадает в категорию среднесерийного производства. Этот тип производства предполагает изготовление изделий периодически повторяющимися партиями, что позволяет эффективно использовать как универсальное, так и специализированное оборудование, а также широко применять наладки и приспособления, которые снижают трудоёмкость и повышают качество обработки, тем самым обеспечивая баланс между гибкостью и экономичностью.

Количественным показателем, наиболее полно характеризующим тип производства, является коэффициент закрепления операций (K_зак.о). Он определяется как отношение числа всех различных технологических операций, выполняемых в цехе или на участке, к числу рабочих мест:

Kзак.о = (число всех различных технологических операций) / (число рабочих мест)

Значения K_зак.о для различных типов производства:

• Массовое производство: K_зак.о = 1
• Крупносерийное производство: 2 ≤ K_зак.о ≤ 10
• Среднесерийное производство: 10 < K_зак.о ≤ 20
• Мелкосерийное производство: 20 < K_зак.о ≤ 40
• Единичное производство: K_зак.о > 40

Для среднесерийного производства K_зак.о находится в диапазоне от 10 до 20. Это означает, что на одном рабочем месте в среднем выполняется от 10 до 20 различных операций, что свидетельствует о достаточной гибкости производства при сохранении элементов специализации. Такой подход к организации производства позволяет эффективно реагировать на изменения номенклатуры, не теряя при этом преимуществ специализированного оборудования и оснастки.

Обзор ключевой терминологии

Для обеспечения однозначности и точности изложения в рамках данного технологического проекта крайне важно оперировать стандартизированной инженерной терминологией. Ниже приведены определения ключевых терминов, соответствующие действующим государственным стандартам:

• Допуск (T): По ГОСТ 25346-89, допуск — это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами или алгебраическая разность между верхним и нижним отклонениями. Он определяет допустимую величину разброса размера, гарантирующую работоспособность соединения и взаимозаменяемость деталей.
• Квалитет (IT): Согласно ГОСТ 25346-89, квалитет (от International Tolerance) — это совокупность допусков, рассматриваемых как соответствующие одному уровню точности для всех номинальных размеров. Чем ниже номер квалитета (например, IT6), тем выше точность обработки и меньше допустимый допуск.
• Посадка: В соответствии с ГОСТ 25346-89, посадка — это характер соединения двух деталей, определяемый разностью их размеров до сборки. Различают три основных типа посадок:
  • Посадка с зазором: Гарантирует зазор между деталями в собранном состоянии (например, H7/h6).
  • Переходная посадка: Возможен как зазор, так и натяг (например, H7/k6).
  • Посадка с натягом: Гарантирует натяг между деталями в собранном состоянии (например, H7/p6).
• Припуск: Слой металла, удаляемый с поверхности заготовки в процессе механической обработки. Различают общий припуск (на всю обработку) и межоперационный припуск (на один технологический переход). Основное назначение припуска — удаление поверхностных дефектов и погрешностей предыдущих операций, а также обеспечение необходимой точности и шероховатости на текущем переходе.
• Режим резания: Совокупность параметров процесса резания, определяющих производительность и качество обработки. К основным элементам режимов резания относятся:
  • Глубина резания (t): Толщина слоя материала, снимаемого за один проход инструмента.
  • Подача (S): Величина перемещения инструмента или заготовки относительно друг друга за один оборот или ход.
  • Скорость резания (V): Скорость перемещения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Технологический анализ конструкции и выбор заготовки

Анализ технологичности конструкции (ТК)

Технологичность конструкции (ТК) — это фундаментальное свойство изделия, определяющее его приспособленность к изготовлению, эксплуатации и ремонту с оптимальными затратами (трудоёмкость, материалоёмкость, себестоимость) при заданных показателях качества и объеме выпуска. Этот концепт, закрепленный в ГОСТ 14.205-83 и ГОСТ 14.201-83, не является абстрактным понятием; он поддается количественной оценке и глубокому анализу.

Для детали «Рычаг» анализ ТК начинается с внимательного изучения её конструктивных особенностей. Ключевые элементы — шлицевое отверстие, базовые цилиндрические отверстия и поверхности, а также общая конфигурация — требуют особого внимания.

1. Шлицевое отверстие: Наличие шлицевого отверстия по ГОСТ 1139-80 является примером хорошей технологичности, поскольку используются стандартизированные параметры, что упрощает выбор инструмента (протяжки) и средств контроля (калибров). Однако важно обеспечить доступ для протягивания, предусмотреть фаски на входе и выходе.
2. Базовое цилиндрическое отверстие: Если базовое отверстие имеет допуск H7 и требуемую шероховатость R_a = 2,5 мкм, это указывает на достаточно высокую точность, которая обычно достигается развёртыванием, растачиванием или протягиванием. Для обеспечения точности очень важна стабильность базирования.
3. Общая конфигурация: Рычаг, как правило, имеет сложную пространственную форму с бобышками, пазами, различными радиусами и фасками.

Количественные критерии оценки ТК:

• Коэффициент использования материала (К_им): Этот показатель является одним из основных и наиболее наглядных критериев. Он определяется как отношение массы готовой детали (M_дет) к массе исходной заготовки (M_заг):

Ким = Mдет / Mзаг

Чем ближе К_им к единице, тем выше технологичность конструкции с точки зрения материалоёмкости, так как меньше материала уходит в стружку или отходы. Для «Рычага», например, если M_дет = 3,5 кг, а M_заг (поковка) = 5,0 кг, то К_им = 3,5 / 5,0 = 0,7. Это средний показатель; идеальный К_им стремится к 1. Цель — максимизировать К_им за счет выбора оптимальной заготовки и минимизации припусков. Следовательно, выбор более точной заготовки, такой как горячая штамповка, становится критически важным для сокращения отходов и повышения эффективности производства.

• Уровень технологичности по трудоемкости (К_ут): Этот коэффициент определяется по отношению к базовому или лучшему аналогу и показывает, насколько трудоёмок процесс изготовления данной детали по сравнению с эталоном. Расчет требует подробных норм времени, но в общем виде:

Кут = (Трудоёмкость базовой детали) / (Трудоёмкость анализируемой детали)

Значение К_ут > 1 указывает на улучшение технологичности.

Рекомендации по совершенствованию ТК «Рычага»:

На основе анализа можно сформулировать конкретные рекомендации, направленные на повышение технологичности:

1. Унификация и стандартизация:
   • Радиусы и фаски: Приведение радиусов скруглений к стандартным значениям (например, R3, R5, R10) и фасок к типовым (1×45° или 2×45°) в соответствии с нормалями предприятия. Это значительно сокращает номенклатуру режущего инструмента и оснастки.
   • Шлицы и отверстия: Подтверждение соответствия шлицев и других элементов действующим ГОСТам для упрощения контроля и обеспечения взаимозаменяемости.
2. Обеспечение технологических баз:
   • Перпендикулярность торцов: Важно обеспечить перпендикулярность торцов оси базового отверстия для стабильного базирования и точной обработки.
   • Расположение бобышек: Если рычаг имеет бобышки, их расположение на одном уровне позволяет фрезеровать их напроход, что сокращает время обработки.
3. Минимизация переходов: Конструкция должна допускать возможность выполнения нескольких операций за одну установку или на одном станке.

Обоснование выбора и способа получения заготовки

Выбор заготовки — это критически важный этап, определяющий большую часть последующего технологического процесса, включая трудоёмкость, материалоёмкость и себестоимость детали. Для детали типа «Рычаг» выбор зависит от нескольких ключевых факторов: материала, сложности формы, требований к точности и, что особенно важно, от типа производства.

1. Материал детали: «Рычаг» может быть изготовлен как из чугуна (для невысоких нагрузок), так и из стали (для значительных нагрузок и ударного воздействия).
   • Чугунные рычаги (например, из СЧ12-СЧ24): Для сложных по форме чугунных рычагов наиболее рациональным способом получения заготовки является литьё. Литьё в песчаные формы (для более крупных деталей) или в оболочковые формы (для более точных и тонкостенных) позволяет получить заготовку, максимально приближенную к форме готовой детали, минимизируя объём механической обработки. Припуски и допуски для отливок должны соответствовать ГОСТ 26645-85.
   • Стальные рычаги (например, из Стали 45, 40Х): Для стальных рычагов, испытывающих высокие статические и динамические нагрузки, предпочтительными способами являются ковка или штамповка.
     • Ковка: Применяется для мелкосерийного и единичного производства. Ручная ковка или ковка на молотах позволяет получить заготовку с улучшенной структурой металла (ориентация волокон по контуру детали), что повышает прочностные характеристики.
     • Штамповка: В условиях серийного и крупносерийного производства наиболее экономична горячая штамповка (в открытых или закрытых штампах). Она обеспечивает высокую производительность, стабильность размеров и минимальные припуски на механическую обработку. Припуски и допуски для поковок и штамповок должны соответствовать ГОСТ 7505-89.
2. Сложность формы и требования к точности: Чем сложнее форма детали и выше требования к точности поверхностей, тем более точный метод получения заготовки должен быть выбран. Литьё и штамповка позволяют получить заготовки с минимальными припуски, что сокращает объем металлообработки.
3. Тип производства:
   • Единичное и мелкосерийное производство: Для небольших партий рычагов может применяться прокат (например, круглый горячекатаный по ГОСТ 2590-88 или калиброванный по ГОСТ 7417-75) с последующей индивидуальной обработкой. Это требует больших припусков и высокой трудоёмкости.
   • Среднесерийное производство (для «Рычага» с N_год = 3000 шт.): Наиболее рациональным выбором для стального рычага будет горячая штамповка в закрытых штампах. Это обеспечивает высокую точность заготовки, снижает расход металла и объём механической обработки, что соответствует экономическим целям среднесерийного производства.

Окончательный выбор заготовки для «Рычага» (из Стали 45):

Учитывая материал (Сталь 45), относительно сложную конфигурацию с бобышками и шлицевым отверстием, а также среднесерийный тип производства (N_год = 3000 шт.), оптимальным способом получения заготовки является горячая штамповка в закрытых штампах. Это решение гарантирует необходимую прочность, минимальные припуски и высокую производительность, что крайне важно для достижения требуемой экономической эффективности. Припуски и допуски на заготовку будут назначены в соответствии с ГОСТ 7505-89.

Проектирование технологического маршрута и размерный анализ

Разработка технологического маршрута обработки

Технологический маршрут — это последовательность всех операций по изготовлению детали, начиная от получения заготовки и заканчивая финишной обработкой и контролем. Правильно составленный маршрут минимизирует межоперационные потери, обеспечивает требуемую точность и шероховатость, а также оптимизирует использование оборудования. При разработке маршрута для «Рычага» необходимо учитывать его конструктивные особенности: шлицевое отверстие, базовые цилиндрические отверстия, плоскости.

Примерная последовательность технологических операций для детали «Рычаг» из Стали 45 (заготовка — штамповка):

1. Операция 005: Заготовительная (Очистка и маркировка)
   • Содержание: Зачистка заусенцев, удаление облоя, очистка от окалины, маркировка.
   • Оборудование: Обрубочный пресс, галтовочный барабан.
   • Базирование: Свободное.
2. Операция 010: Фрезерование торцов
   • Содержание: Фрезерование торцов бобышек для создания плоских базовых поверхностей.
   • Оборудование: Вертикально-фрезерный станок 6Р13 (или аналогичный).
   • Базирование: На плоскость и два отверстия (или установочные элементы штамповки) в приспособлении.
   • Цель: Создание первичных технологических баз.
3. Операция 015: Черновое точение наружных поверхностей
   • Содержание: Черновое точение наружных цилиндрических поверхностей (например, под подшипник или сопрягаемую деталь), а также создание фасок.
   • Оборудование: Токарно-винторезный станок 1К62 (или аналогичный).
   • Базирование: В центрах или в патроне с упором по торцу.
   • Цель: Снятие основного припуска, приближение к окончательным размерам.
4. Операция 020: Сверление, рассверливание, черновое растачивание базового отверстия
   • Содержание: Сверление отверстия, рассверливание, черновое растачивание базового цилиндрического отверстия.
   • Оборудование: Вертикально-сверлильный станок 2Н135 или горизонтально-расточной станок.
   • Базирование: На фрезерованные торцы и боковую поверхность в приспособлении.
   • Цель: Создание базового отверстия с минимальным припуском под протягивание или чистовую обработку.
5. Операция 025: Протягивание шлицевого отверстия
   • Содержание: Протягивание шлицевого отверстия на заранее подготовленном базовом отверстии.
   • Оборудование: Горизонтально-протяжной станок 7Б610 (или аналогичный).
   • Базирование: По базовому цилиндрическому отверстию и фрезерованной плоскости.
   • Цель: Получение шлицевого отверстия с высокой точностью и шероховатостью за один проход.
6. Операция 030: Чистовое точение наружных поверхностей
   • Содержание: Чистовое точение наружных цилиндрических поверхностей.
   • Оборудование: Токарно-винторезный станок 1К62.
   • Базирование: В центрах или по протянутому шлицевому отверстию на оправке.
   • Цель: Достижение окончательных размеров и требуемой шероховатости.
7. Операция 035: Развертывание базового отверстия (или финишное растачивание)
   • Содержание: Чистовое развертывание (или растачивание) базового отверстия до заданного допуска H7 и шероховатости R_a = 2,5 мкм.
   • Оборудование: Вертикально-сверлильный станок (для развертывания) или координатно-расточной (для растачивания).
   • Базирование: По обработанным поверхностям.
   • Цель: Достижение окончательных размеров и качества базового отверстия.
8. Операция 040: Фрезерование пазов/шлицев (если есть внешние)
   • Содержание: Если конструкция рычага предусматривает внешние пазы или шлицы.
   • Оборудование: Горизонтально-фрезерный станок.
   • Базирование: На оправке по базовому отверстию или на плоскостях.
9. Операция 045: Термическая обработка (если требуется)
   • Содержание: Закалка с последующим отпуском для достижения требуемой твердости и прочности (например, до 40-45 HRC).
   • Оборудование: Муфельная печь, закалочная ванна.
10. Операция 050: Шлифование (если требуется высокая точность)
    • Содержание: Шлифование наружных или внутренних цилиндрических поверхностей после термической обработки, если необходимы особо высокие точность и шероховатость.
    • Оборудование: Круглошлифовальный или внутришлифовальный станок.
11. Операция 055: Окончательная обработка (зачистка, полировка)
    • Содержание: Удаление заусенцев, полировка отдельных поверхностей.
    • Оборудование: Шлифовальный станок, ручной инструмент.
12. Операция 060: Контроль
    • Содержание: Полный контроль размеров, формы, расположения поверхностей, шероховатости, твердости.
    • Оборудование: Измерительные приборы, калибры, шаблоны.

Расчет межоперационных припусков (Расчетно-аналитический метод)

Корректное назначение межоперационных припусков является одним из ключевых факторов, определяющих экономичность и точность обработки. Избыточные припуски приводят к перерасходу материала, увеличению времени обработки и расхода инструмента. Недостаточные припуски могут привести к браку, так как не будет удален дефектный слой или не будут компенсированы погрешности предыдущей операции. Неужели есть более эффективный подход, чем интуитивный выбор?

Наиболее точным и экономичным является расчетно-аналитический метод определения минимального припуска, который, в отличие от опытно-статистического, учитывает индивидуальные особенности технологического процесса, свойства материала и точностные требования. Этот метод основан на теории технологических размерных цепей и позволяет определить минимальный припуск (Z_{i min}) для каждого технологического перехода.

Формула расчета минимального припуска (обобщенная, по методике цепных подстановок):

Zi min = Rzi-1 + Ti-1 + ρi-1 + εi

Где:

• Rzi-1 — высота неровностей профиля (шероховатость) на предшествующем переходе, мкм. Этот параметр характеризует микрогеометрию поверхности.
• Ti-1 — глубина дефектного поверхностного слоя, образовавшегося на предшествующем переходе, мкм. Дефектный слой может включать наклёп, нагары, окислы, структурные изменения.
• ρi-1 — суммарное значение пространственных отклонений (погрешностей формы и расположения), оставшихся от предшествующего перехода, мкм. Сюда входят неплоскостность, некруглость, непараллельность и т.д.
• εi — погрешность установки заготовки на выполняемом переходе, мкм. Эта погрешность характеризует неточность базирования заготовки на текущей операции.

Пример расчета минимального припуска для чернового точения наружной цилиндрической поверхности «Рычага» (из Стали 45, заготовка – штамповка):

Допустим, мы рассчитываем припуск для перехода с «Заготовка (штамповка)» на «Черновое точение».

1. Исходные данные для штамповки (i-1):

• Rzштамповки (высота неровностей): Для штампованных поверхностей из Стали 45 ориентировочно 100-200 мкм. Примем Rzштамповки = 150 мкм.
• Tштамповки (глубина дефектного слоя): Для штамповки это может быть обезуглероженный слой, окалина. Примем Tштамповки = 250 мкм.
• ρштамповки (пространственные отклонения): Включают погрешности формы штамповки (овальность, конусность) и расположения (смещение оси). По справочным данным для штамповок массой до 5 кг из Стали 45, ρштамповки может составлять 200-400 мкм. Примем ρштамповки = **286 мкм**.

2. Погрешность установки (i):

• εточение: Погрешность установки на токарном станке в патроне. Для черновых операций может составлять 100-200 мкм. Примем εточение = **150 мкм**.

3. Расчет минимального припуска (Z_min) для одной стороны:

Zmin = 150 мкм + 250 мкм + 286 мкм + 150 мкм = 836 мкм = 0,836 мм

Для наружной цилиндрической поверхности всегда назначается двусторонний припуск. Таким образом, минимальный двусторонний припуск составит:

2 ⋅ Zmin = 2 ⋅ 0,836 мм = 1,672 мм

Это означает, что на диаметр необходимо снять не менее 1,672 мм материала. Если заготовка — горячекатаный прокат, значения Rz, T и ρ могут быть другими, что приведет к иному припуску (как в исходных данных, где 2 ⋅ Z_min ≈ 1372 мкм для проката).

Расчет операционных размеров:

После определения минимального припуска можно рассчитать предельные операционные размеры (наибольший и наименьший) для каждого перехода.

Для наружной поверхности вращения:

Ai min = Ai-1 max + 2 ⋅ Zi min

Где:

• Ai min — наименьший предельный размер на текущем переходе.
• Ai-1 max — наибольший предельный размер на предшествующем переходе.
• 2 ⋅ Zi min — минимальный двусторонний припуск.

Для внутренней поверхности (отверстия):

Ai max = Ai-1 min - 2 ⋅ Zi min

Где:

• Ai max — наибольший предельный размер отверстия после обработки.
• Ai-1 min — наименьший предельный размер отверстия на предшествующем переходе.
• 2 ⋅ Zi min — минимальный двусторонний припуск.

Таким образом, расчетно-аналитический метод позволяет точно определить каждый слой металла, который необходимо удалить, минимизируя потери и обеспечивая качество. Это не просто академический подход, а инструмент, обеспечивающий значительную экономию материала и сокращение машинного времени на производстве.

Расчет режимов резания для основных операций

Режимы резания — это совокупность технологических параметров, определяющих процесс снятия стружки: глубина резания (t), подача (S) и скорость резания (V). Их правильный выбор напрямую влияет на производительность, стойкость инструмента, качество обработанной поверхности и себестоимость детали. Расчет режимов резания производится на основе справочных данных, эмпирических формул и поправочных коэффициентов, учитывающих конкретные условия обработки.

Расчет режимов резания при точении/фрезеровании

1. Глубина резания (t):
Глубина резания является первым параметром, который определяется. Она зависит от величины припуска на обрабатываемую поверхность.

• При точении: t = Z / n, где Z — припуск на сторону, n — количество проходов. Обычно на черновых операциях весь припуск снимается за один или два прохода, на чистовых — за один.
  • Если рассчитанный выше двусторонний припуск составляет 1,672 мм, то на одну сторону Z = 0,836 мм. Если снимаем за один проход, то t = 0,836 мм.
• При фрезеровании: Глубина резания (t) равна толщине снимаемого слоя металла.

2. Подача (S):
Подача выбирается по справочникам в зависимости от материала заготовки, материала инструмента, требуемой шероховатости и жесткости системы «станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД)».

• При точении: Подача (S, мм/об) для черновых операций по Стали 45 твердосплавным инструментом может быть в диапазоне 0,3-0,8 мм/об, для чистовых — 0,05-0,3 мм/об.
• При фрезеровании: Основной параметр — подача на один зуб фрезы (f_z, мм/зуб), которая выбирается по справочнику. Общая минутная подача (F, мм/мин) рассчитывается как:

F = fz ⋅ z ⋅ n

Где:

• fz — подача на один зуб, мм/зуб.
• z — число зубьев фрезы.
• n — частота вращения шпинделя, об/мин.

3. Скорость резания (V):
Скорость резания является наиболее сложным для расчета параметром, поскольку она оказывает наибольшее влияние на стойкость инструмента и качество поверхности. Для большинства операций (точение, фрезерование) она рассчитывается по обобщенной эмпирической формуле:

V = Cv / (Tm ⋅ tx ⋅ Sy ⋅ Kv)

Где:

• Cv, m, x, y — табличные коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала, материала режущей части инструмента (например, быстрорежущая сталь, твердый сплав), вида обработки (черновая, чистовая). Эти значения находятся в справочниках (например, «Справочник технолога-машиностроителя» А.Н. Косиловой и Р.К. Мещеряковой).
• T — требуемая стойкость инструмента, мин. Выбирается исходя из экономической целесообразности (обычно 30-120 мин).
• Kv — общий поправочный коэффициент, учитывающий различные факторы, влияющие на процесс резания. Он является произведением нескольких коэффициентов:
  • KМ — поправочный коэффициент на марку обрабатываемого материала.
  • KИ — коэффициент на состояние поверхности заготовки.
  • KЖ — коэффициент, учитывающий жесткость СПИД.
  • KР — коэффициент на геометрию режущей кромки инструмента.
  • И другие (например, охлаждение, износ).

Пример расчета скорости резания для чистового точения Стали 45 твердосплавным инструментом (Т15К6):

Предположим, мы имеем следующие данные:

• Материал детали: Сталь 45
• Материал инструмента: Твердый сплав Т15К6
• Стойкость инструмента (T): 60 мин
• Глубина резания (t): 0,3 мм (для чистовой обработки)
• Подача (S): 0,15 мм/об

Из справочника находим типовые коэффициенты для чистового точения Стали 45 инструментом Т15К6:

• Cv ≈ 350
• m ≈ 0,2
• x ≈ 0,4
• y ≈ 0,2
• Kv (общий поправочный коэффициент, допустим, 0,85, учитывая жесткость станка и охлаждение).

Подставляем значения в формулу:

V = 350 / (600,2 ⋅ 0,30,4 ⋅ 0,150,2 ⋅ 0,85)

Выполняем расчет:

600,2 ≈ 2,27
0,30,4 ≈ 0,69
0,150,2 ≈ 0,69

V = 350 / (2,27 ⋅ 0,69 ⋅ 0,69 ⋅ 0,85) = 350 / 0,916 ≈ 382 м/мин

После расчета скорости резания V определяется частота вращения шпинделя n (об/мин) по формуле: n = (V ⋅ 1000) / (π ⋅ D), где D — диаметр обрабатываемой поверхности (мм). Затем выбирается ближайшая стандартная частота вращения шпинделя на станке.

Расчет режима при протягивании шлицев

Протягивание — это высокопроизводительный метод обработки, обеспечивающий высокую точность и низкую шероховатость поверхности за один проход. Режимы резания при протягивании отличаются от режимов при точении или фрезеровании.

1. Глубина резания (t) / Подача на зуб (S_z):
При протягивании глубина резания не назначается оператором станка, а является конструктивным параметром самой протяжки — это подъем на зуб (S_z). Величина S_z определяется при проектировании протяжки и зависит от материала заготовки, требуемого качества поверхности и числа одновременно работающих зубьев.

• Для чистового протягивания стальных шлицев S_z обычно составляет 0,01—0,2 мм/зуб. Меньшие значения (0,01—0,05 мм/зуб) используются для достижения более низкой шероховатости поверхности (например, R_a = 2,5 мкм), а также для калибрующих и зачищающих зубьев.

2. Скорость резания (V):
Скорость резания при протягивании (V, м/мин) определяется по справочным таблицам или эмпирическим формулам, учитывающим материал детали и инструмента, а также тип протяжки. Протягивание — это низкоскоростной процесс по сравнению с точением или фрезерованием.

• Для протягивания Стали 45 быстрорежущими протяжками скорость резания обычно находится в диапазоне 3-12 м/мин. Для чистовых проходов и твердых материалов скорости могут быть ещё ниже (3-6 м/мин).

Выбор конкретных значений S_z и V производится с учетом рекомендаций ГОСТ и методических пособий по проектированию протяжек. Ведь только точное соблюдение этих параметров позволяет добиться максимальной эффективности и избежать дорогостоящего брака.

Проектирование специального инструмента и средств контроля

Расчет конструктивных параметров шлицевой протяжки

Проектирование шлицевой протяжки — это сложный инженерный процесс, требующий учета многих факторов, включая материал детали, её размеры, требования к точности и шероховатости, а также характеристики протяжного станка. Протяжка является высокопроизводительным инструментом, позволяющим получить шлицевые отверстия с высокой точностью (до IT7-IT8 квалитетов) и низкой шероховатостью (до R_a = 0,63 мкм).

Конструктивные элементы шлицевой протяжки:

Типовая шлицевая протяжка состоит из следующих основных частей:

1. Хвостовик: Предназначен для закрепления протяжки в патроне протяжного станка.
2. Передняя направляющая: Обеспечивает центрирование протяжки относительно заготовки перед началом резания.
3. Режущая часть: Основная рабочая часть, состоящая из множества зубьев, постепенно увеличивающихся в диаметре или профиле, снимающих основной припуск.
4. Зачищающая часть: Несколько зубьев, имеющих одинаковый диаметр, предназначенных для улучшения качества поверхности и удаления мелких неровностей.
5. Калибрующая часть: Несколько зубьев, имеющих окончательный размер, предназначенных для обеспечения высокой точности и стабильности размеров.
6. Задняя направляющая: Обеспечивает выход протяжки из заготовки без перекосов.
7. Задний хвостовик (иногда): Для автоматической подачи или сбора протяжки.

Схема резания:

Для шлицевых протяжек часто применяется комбинированная схема резания, например, ФКШ (фасочные-круглые-шлицевые). Это означает, что протяжка имеет:

• Фасочные зубья: Для обработки фасок на входе в отверстие.
• Круглые зубья: Для обработки базового цилиндрического диаметра отверстия до момента, когда начинают работать шлицевые зубья.
• Шлицевые зубья: Для формирования окончательного профиля шлицев.

Основные параметры протяжки и их расчет:

1. Подъем на зуб (S_z): Как обсуждалось в режимах резания, это важнейший параметр, определяющий толщину стружки, снимаемой одним зубом. Для черновой части протяжки S_z может быть больше (0,05-0,2 мм/зуб), для чистовой и калибрующей — меньше (0,01-0,05 мм/зуб). Выбирается по справочникам в зависимости от материала и требуемой шероховатости.
2. Шаг зубьев (t): Расстояние между соседними зубьями. Выбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточное пространство для стружки и чтобы в работе одновременно находилось оптимальное количество зубьев. Типовые значения шага для шлицевых протяжек — 10-25 мм.
3. Число одновременно работающих зубьев (q): Должно быть не менее 3 (для предотвращения перекоса протяжки и обеспечения стабильности процесса) и не более 8 (для обеспечения эффективного удаления стружки и снижения усилия протягивания).

• Проверка на максимальное число одновременно работающих зубьев (z_раб.max): Это число ограничивается максимально допустимым усилием протяжного станка (P_ст.max) и усилием, необходимым для срезания стружки одним зубом (P_зуб).

zраб.max ≤ Pст.max / Pзуб

Pзуб рассчитывается по формулам из теории резания, учитывающим площадь срезаемой стружки, свойства материала и коэффициент деформации.

4. Общая длина режущей части протяжки (L_реж): Определяется как сумма длин всех режущих, зачищающих и калибр��ющих зубьев.

Lреж = q ⋅ t где q — общее число рабочих зубьев.

Более точно, Lреж = Lкр + Lшл + Lзач + Lкал, где каждая составляющая рассчитывается исходя из числа зубьев соответствующего типа и их шага.

5. Общее усилие протягивания (P_общ): Сумма усилий, действующих на одновременно работающие зубья. Оно должно быть меньше как допустимого усилия станка (P_ст.max), так и допустимого усилия растяжения хвостовика протяжки (P_хв.доп):

Pобщ < Pст.max и Pобщ < Pхв.доп

Pобщ = Cp ⋅ Szx ⋅ ty ⋅ Bz ⋅ k

Где Cp, x, y, z — коэффициенты, зависящие от материала и схемы резания, B — ширина шлицевого паза, k — поправочные коэффициенты. Расчет P_общ является одним из ключевых при проектировании протяжки, так как позволяет избежать поломки инструмента и станка.

6. Расчет диаметра хвостовика: Должен обеспечивать прочность протяжки на растяжение и соответствовать присоединительным размерам станка.

dхв = √((4 ⋅ Pобщ) / (π ⋅ [σ]раст))

Где [σ]раст — допустимое напряжение растяжения для материала протяжки.

Все расчеты выполняются в соответствии со стандартами на протяжки (например, ГОСТ 24818-81, ГОСТ 24820-81 для прямобочных шлицев), а также рекомендациями ведущих учебников и справочников. А какова цена ошибки при игнорировании этих стандартов на производстве? Очевидно, что она может быть весьма существенной, начиная от брака и заканчивая поломкой дорогостоящего оборудования.

Расчет исполнительных размеров шлицевого калибра-пробки

Контроль шлицевых отверстий «Рычага» является критически важным этапом для обеспечения взаимозаменяемости и работоспособности изделия. Для этого используются специализированные калибры. Для шлицевых соединений с прямобочным профилем основным стандартом является ГОСТ 1139-80 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски». Для калибров применяется ГОСТ 24960-81 «Калибры для шлицевых прямобочных соединений» и ГОСТ 25346-89 «Единая система допусков и посадок».

Для контроля шлицевого отверстия «Рычага» используются:

1. Комплексный калибр-пробка (проходной ПР и непроходной НЕ): Предназначен для контроля всего профиля шлицевого отверстия, то есть проверяет суммарную погрешность формы и расположения поверхностей.
2. Поэлементные калибры-пробки: Используются для контроля отдельных параметров, например, ширины паза или центрирующего диаметра.

Принцип расчета исполнительных размеров шлицевых калибров основан на том, что допуск на изготовление калибра (H) и допуск износа (Y) должны располагаться внутри поля допуска детали.

Расчет предельных размеров прямобочных шлицевых калибров-пробок для контроля центрирующего диаметра D отверстия:

Допустим, номинальный центрирующий диаметр шлицевого отверстия D = 30 мм, поле допуска H7.
Из ГОСТ 25346-89 для D = 30 мм и квалитета H7 получаем:

• Верхнее отклонение ES = +0,025 мм
• Нижнее отклонение EI = 0 мм
• Следовательно, Dmax = 30 + 0,025 = 30,025 мм
• Dmin = 30 + 0 = 30,000 мм
• Допуск детали Tдетали = ES - EI = 0,025 мм.

1. Расчет рабочего проходного калибра-пробки (ПР):
Проходной калибр-пробка должен проходить в отверстие, соответствующее наименьшему предельному размеру отверстия, с учетом допуска износа калибра. Допуск износа (Y) направлен в сторону увеличения материала детали.

DПР = Dmin + Y

Где:

• Dmin — наименьший предельный размер отверстия детали (30,000 мм).
• Y — допуск износа калибра. По ГОСТ 24960-81, Y обычно составляет 0,05-0,1 Tдетали. Примем Y = 0,002 мм (для квалитета H7).

DПР = 30,000 мм + 0,002 мм = 30,002 мм

2. Расчет рабочего непроходного калибра-пробки (НЕ):
Непроходной калибр-пробка не должен проходить в отверстие, соответствующее наибольшему предельному размеру отверстия, с учетом допуска изготовления калибра. Допуск калибра (H) направлен в сторону уменьшения материала детали.

DНЕ = Dmax - H

Где:

• Dmax — наибольший предельный размер отверстия детали (30,025 мм).
• H — допуск изготовления калибра. По ГОСТ 24960-81, H также составляет 0,05-0,1 Tдетали. Примем H = 0,002 мм.

DНЕ = 30,025 мм - 0,002 мм = 30,023 мм

Контрольный калибр-пробка (K-ПР):
Контрольный калибр-пробка используется для контроля износа рабочего калибра-кольца (для вала) или рабочего калибра-пробки (для отверстия). Он позволяет определить, когда рабочий калибр вышел за пределы допустимого износа и требует замены. Его размеры также рассчитываются по ГОСТ.

DК-ПР = DПР

При этом контрольный калибр-пробка для проходного рабочего калибра-пробки должен иметь размер, равный наименьшему предельному размеру рабочего проходного калибра-пробки.

Таблица исполнительных размеров калибров:

Параметр калибра	Обозначение	Расчетная формула	Значение (мм)
Наименьший размер отверстия	Dmin	—	30,000
Наибольший размер отверстия	Dmax	—	30,025
Допуск детали	Tдетали	Dmax — Dmin	0,025
Допуск износа калибра	Y	0,002	0,002
Допуск калибра	H	0,002	0,002
Рабочий ПР калибр	DПР	Dmin + Y	30,002
Рабочий НЕ калибр	DНЕ	Dmax — H	30,023

Эти расчеты обеспечивают строгую привязку к метрологическим стандартам и гарантируют точность контроля шлицевых отверстий, что является залогом надежной работы и взаимозаменяемости деталей. Понимание этих нюансов позволяет избежать не только производственных дефектов, но и дорогостоящих отзывов продукции в будущем.

Заключение

Разработка технологического процесса изготовления детали «Рычаг» позволила не только систематизировать знания в области технологии машиностроения, но и продемонстрировать глубокий подход к решению комплексных инженерных задач. В ходе проекта был всесторонне проанализирован исходный чертеж детали, определен оптимальный тип производства – среднесерийное, что обусловлено заданной годовой программой выпуска и массой детали.

Особое внимание было уделено анализу технологичности конструкции «Рычага», где с помощью количественных критериев, таких как коэффициент использования материала (К_им), были выявлены возможности для её совершенствования. Обоснованный выбор горячей штамповки в закрытых штампах для получения заготовки из Стали 45 является экономически оправданным решением для среднесерийного производства, обеспечивающим минимальные припуски и высокую прочностную характеристику.

Центральным элементом работы стало проектирование технологического маршрута обработки, включающего последовательность операций от заготовительной до окончательного контроля. Ключевым достижением является применение расчетно-аналитического метода для определения межоперационных припусков. Этот метод, в отличие от упрощенных подходов, позволил точно учесть все составляющие погрешности (шероховатость, дефектный слой, пространственные отклонения, погрешность установки), что гарантирует оптимальное снятие материала и минимизацию брака, а также обеспечивает значительную экономию металла и сокращение машинного времени.

Детально рассчитанные режимы резания для точения, фрезерования и протягивания, основанные на справочных данных и эмпирических формулах с учетом поправочных коэффициентов, подтверждают техническую обоснованность выбранных параметров обработки. Наконец, проектирование специальной оснастки – шлицевой протяжки с расчетом её конструктивных параметров, включая проверку на прочность и максимальное усилие протягивания, а также расчет исполнительных размеров шлицевого калибра-пробки в строгом соответствии с ГОСТ 1139-80 и ГОСТ 24960-81 – демонстрирует полное владение методологией проектирования прецизионного инструмента и средств контроля.

Результаты данной работы подтверждают выполнение всех требований проекта, обеспечивая не только теоретическую основу, но и практическую применимость для изготовления детали «Рычаг» с заданной точностью и качеством. Применение расчетно-аналитического метода и тщательное проектирование специальной оснастки являются ключевыми факторами экономической эффективности, позволяя снизить материалоёмкость и трудоёмкость производства, что, в свою очередь, повышает конкурентоспособность продукции.

Список использованной литературы

1. Барановский Ю.В. Режимы резания металлов: Справочник. М.: Машиностроение, 1972. 409 с.
2. Боровков В.М. Методические указания по дисциплине «Проектирование заготовок». Тольятти: Тольяттинский Государственный Университет, 2002.
3. Булычев В.А. Разработка техпроцесса корпусной детали в условиях массового производства: Метод. указания. Тольятти: Тольяттинский Государственный Университет, 2000. 21 с.
4. Горбацевич А.Ф. Курсовое проектирование по технологии машиностроения. Минск: Высшая школа, 1983. 256 с.
5. Гусев А.А. Технология машиностроения (специальная часть). М.: Машиностроение, 1986. 480 с.
6. Косилова А.Г., Мещерякова Р.К. Справочник технолога машиностроителя: в 2 т. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985.
7. Матвеев В.В., Тверской М.М., Бойков Ф.И. и др. Размерный анализ технологических процессов. М.: Машиностроение, 1982. 264 с.
8. Михайлов А.В. Разработка технологических процессов сборки изделия: Метод. указ. Тольятти: Тольяттинский Государственный Университет, 2001. 48 с.
9. Михайлов А.В. Методические указания к выполнению Курсовых проектов по дисциплине «Технология отрасли». Тольятти: Тольяттинский Государственный Университет, 1998. 35 с.
10. Мягков В.Д., Палей М.А., Романов А.Б., Брагинский В.А. Допуски и посадки: Справочник в 2 т. 6-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983.
11. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. 728 с.
12. Михайлов А.В. Методическое пособие «Размерный анализ технологических процессов изготовления деталей машин». Тольятти: Тольяттинский Государственный университет, 2002.
13. Михайлов А.В. Обработка на многошпиндельных токарных станках: Метод. указания. Тольятти: Тольяттинский Государственный Университет, 1996. 24 с.
14. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов. 5-е изд. М.: Машиностроение, 1980. 592 с.
15. ГОСТ 1695-80. Фрезы цельные торцовые, насадные, дисковые трехсторонние и дисковые пазовые. Технические условия.
16. ГОСТ 1139-80. Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шлицевые прямобочные. Размеры и допуски.
17. ГОСТ 25346-89. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений.
18. Технология изготовления рычагов и вилок [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/
19. Расчет величины минимального припуска [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/
20. Расчет режима резания (протягивание) [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/
21. Расчет шлицевой части протяжки [Электронный ресурс]. URL: https://lfkai.ru/
22. Типы машиностроительных производств: Характеристика типов производства [Электронный ресурс]. URL: https://ciur.ru/
23. Технологичность детали | Анализ и отработка конструкции детали [Электронный ресурс]. URL: https://metalcutting.ru/
24. ТЕХНОЛОГИЧНОСТь КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ: КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ [Электронный ресурс]. URL: https://rkmo.ru/
25. Анализ технологичности конструкции детали: Рычаг [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/
26. Выбор заготовки [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/
27. Методы расчета размерных цепей [Электронный ресурс]. URL: https://voenmeh.ru/
28. Расчет исполнительных размеров шлицевых калибров [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/
29. Расчет припусков расчетно-аналитическим методом [Электронный ресурс]. URL: https://amstarm.ru/
30. Расчет режимов резания. Курсовое и дипломное проектирование [Электронный ресурс]. URL: https://oreluniver.ru/
31. Калибры для контроля шлицевых эвольвентных соединений с углом профиля 30°. Допуски [Электронный ресурс]. URL: https://meganorm.ru/