Курсовая работа по проектированию ТП изготовления детали «вал-червяк» – исчерпывающий пример с разбором всех этапов

В начале любого серьезного инженерного проекта лежит четкая задача. В нашем случае — это разработка оптимального технологического процесса для изготовления критически важной детали – вала-червяка. Это не просто абстрактная учебная цель. Вал-червяк является ключевым элементом червячных редукторов, передающих вращение между скрещивающимися валами, и от точности его изготовления напрямую зависит надежность и долговечность всего механизма. Главная цель данной курсовой работы — не просто описать, а спроектировать и обосновать наиболее эффективный способ производства этой детали в заданных условиях.

Фундаментом для всех наших дальнейших расчетов и решений служат исходные данные:

• Конструкторский чертеж детали «вал-червяк», содержащий всю информацию о геометрии, материале, допусках и качестве поверхностей.
• Годовая программа выпуска, которая определяет масштаб производства и, как следствие, влияет на выбор оборудования и оснастки.

Теперь, когда задача ясна и исходные данные у нас на руках, первый логичный шаг – оценить саму конструкцию детали на предмет ее производственной эффективности.

Глава 1. Как анализ чертежа определяет будущий технологический процесс

1.1. Оцениваем технологичность конструкции как фундамент эффективности

Перед тем как начать что-то производить, инженер-технолог должен выступить в роли критика и задать главный вопрос: а насколько удобно, просто и дешево можно изготовить эту деталь с требуемым качеством? Этот процесс называется анализом технологичности конструкции. Технологичность — это свойство конструкции, которое определяет ее приспособленность к экономичному производству, обслуживанию и ремонту.

Применительно к нашему валу-червяку, анализ включает несколько ключевых аспектов:

1. Материал детали: В чертеже указана сталь, которая требует последующей термической обработки (например, цементации) для достижения необходимой твердости рабочих поверхностей витков и шеек. Это сразу закладывает в наш будущий процесс обязательную операцию термообработки.
2. Геометрические элементы: Конструкция вала-червяка включает в себя цилиндрические и торцевые поверхности, канавки для выхода инструмента и, конечно, главную рабочую поверхность — сами витки червяка. Важно отметить, что все переходы между диаметрами выполнены с галтелями (скруглениями), что предотвращает концентрацию напряжений, но требует использования соответствующего инструмента.
3. Требования к точности и шероховатости: Чертеж задает жесткие требования. Например, для рабочих поверхностей может быть указана шероховатость поверхности до 20 мкм и допуски на торцевое биение до 16 мкм. Такие параметры однозначно говорят о том, что без финишных операций, таких как шлифование, достичь требуемого качества невозможно.

Вывод: Конструкция вала-червяка является условно-технологичной. С одной стороны, она не содержит экзотических или труднообрабатываемых элементов. С другой стороны, высокие требования к точности и качеству поверхностей, а также необходимость термической обработки, формируют «узкие места», которые потребуют использования высокоточного оборудования (шлифовальных станков), специализированного инструмента и тщательного контроля на всех этапах.

1.2. Определяем тип производства для выбора верной стратегии

Количество деталей, которое нужно изготовить в год, — это не просто цифра, а ключевой фактор, определяющий всю стратегию производства. От этого зависит, будем ли мы использовать универсальные станки с долгой ручной настройкой или высокопроизводительные автоматизированные линии.

Существует три основных типа производства:

• Единичное: Изготовление уникальных или очень малых партий изделий. Характеризуется универсальным оборудованием и высокой квалификацией рабочих.
• Серийное: Производство повторяющихся партий изделий. Здесь уже целесообразно применять станки с ЧПУ, специальную оснастку и более четко распределять операции.
• Массовое: Непрерывное изготовление одного и того же изделия в огромных количествах. Используются автоматические линии и узкоспециализированное оборудование.

На основе заданной годовой программы выпуска (например, 5000 штук в год) и массы детали мы проводим расчет, который в нашем случае однозначно относит производство к серийному типу. Этот вывод имеет прямые практические последствия: мы будем ориентироваться на использование производительных станков с ЧПУ, проектировать специальную оснастку для сокращения времени установки и выверки детали, а также выстраивать технологический процесс в виде четкой последовательности специализированных операций.

Глава 2. Из чего рождается деталь? Аргументированный выбор заготовки

Выбор заготовки — одно из самых ответственных решений в проектировании техпроцесса, напрямую влияющее на себестоимость детали. Неправильный выбор может привести либо к огромному количеству металла, уходящего в стружку, либо к неоправданно высокой начальной стоимости. Наша задача — найти золотую середину.

Рассмотрим три реалистичных варианта получения заготовки для нашего вала-червяка:

1. Горячекатаный прокат (круг). Самый дешевый и доступный вариант. Мы просто отрезаем кусок нужной длины от прутка. Однако у него есть существенные минусы: низкая точность размеров и значительные припуски на обработку, что ведет к большому расходу металла и высокому износу инструмента на черновых операциях.
2. Поковка в подкладных штампах. Здесь заготовка предварительно обрабатывается ковкой, приобретая ступенчатую форму, близкую к форме готовой детали. Это позволяет значительно сократить припуски на обработку и сэкономить металл. Стоимость самой поковки выше, чем у проката.
3. Горячая объемная штамповка. Самый точный метод, позволяющий получить заготовку, максимально приближенную к готовой детали. Припуски минимальны, расход металла наилучший. Однако стоимость изготовления штампа очень высока, и этот метод рентабелен только в условиях крупносерийного или массового производства.

Для объективного сравнения необходимо рассчитать Коэффициент Использования Материала (КИМ) для каждого варианта. КИМ показывает отношение массы готовой детали к массе заготовки. Чем он ближе к единице, тем эффективнее используется металл.

После проведения расчетов выясняется, что для нашего серийного производства наиболее сбалансированным вариантом является поковка. Хотя ее начальная стоимость выше, чем у проката, экономия металла и существенное сокращение времени на трудоемкие черновые операции делают этот выбор экономически обоснованным. Прокат привел бы к неоправданным затратам на обработку, а штамповка не окупилась бы при нашей годовой программе. Таким образом, мы делаем аргументированный выбор в пользу поковки как оптимальной заготовки.

Глава 3. Проектируем путь от заготовки к готовой детали

Определившись с заготовкой, мы можем, наконец, спроектировать «дорожную карту» ее превращения в готовый вал-червяк. Эта карта называется технологическим маршрутом и представляет собой логически выстроенную последовательность операций.

Ключевым принципом при построении маршрута является выбор и использование технологических баз — поверхностей, которые служат для установки и фиксации детали на станке. Идеальная ситуация — использование «принципа единства баз», когда одни и те же базы (в нашем случае — центровые отверстия на торцах вала) используются для большинства операций. Это гарантирует высокую точность взаимного расположения всех обрабатываемых поверхностей.

Разработанный технологический маршрут для вала-червяка будет выглядеть следующим образом:

1. Заготовительная операция: Резка поковок на мерные длины.
2. Фрезерно-центровальная операция: Обработка торцов и сверление центровых отверстий. Это создание тех самых единых технологических баз.
3. Токарная черновая операция: Снятие основного припуска со всех цилиндрических поверхностей. Выполняется на токарном станке с ЧПУ за одну установку.
4. Токарная чистовая операция: Обработка тех же поверхностей с меньшей глубиной резания для достижения требуемой точности и шероховатости перед термообработкой.
5. Червячно-фрезерная операция: Нарезание витков червяка на специальном или универсально-фрезерном станке с использованием червячной фрезы. Это одна из самых ответственных операций.
6. Термическая операция: Проведение цементации и закалки для придания рабочим поверхностям высокой твердости.
7. Шлифовальная операция: Финишная обработка. После термообработки деталь «ведет», и для восстановления точности и достижения финальной шероховатости производится шлифование шеек и рабочих поверхностей витков червяка на шлифовальных станках.
8. Контрольная операция: Проверка всех ключевых параметров детали (размеры, биения, шероховатость) в отделе технического контроля.

Каждая операция в этом маршруте логически вытекает из предыдущей, обеспечивая поэтапное приближение заготовки к требованиям чертежа. Особое внимание уделено тому, чтобы финишные и самые точные операции выполнялись в самом конце, после силовой и термической обработки.

Глава 4. Как физика резания превращается в точные расчеты

Маршрут — это стратегия. Но для ее реализации нужны конкретные тактические параметры. Мы должны точно знать, с какой скоростью должен вращаться шпиндель станка, как быстро должна двигаться фреза и какую толщину стружки снимать за один проход. Этот этап называется расчетом режимов резания.

Этот расчет — не магия, а чистая инженерная физика, опирающаяся на справочные данные и эмпирические формулы. Для каждой ключевой операции методика будет своей, но общая логика схожа. Разберем ее на примере нескольких операций:

• Для черновой токарной обработки:
  1. Выбор инструмента: Подбираем резец с пластиной из твердого сплава, рассчитанной на силовое резание.
  2. Определение глубины резания (t): Назначается максимально возможной, исходя из припуска и жесткости системы станок-деталь-инструмент, чтобы снять основной металл за минимальное число проходов.
  3. Расчет подачи (S): Выбирается из нормативов в зависимости от материала, инструмента и требуемого качества поверхности. Для черновой обработки подача будет большой.
  4. Расчет скорости резания (V): Определяется по сложной формуле, учитывающей стойкость инструмента, материал, подачу, глубину и множество поправочных коэффициентов.
  5. Расчет частоты вращения шпинделя (n) и мощности (N): На основе рассчитанной скорости и диаметра детали вычисляется частота вращения, а затем проверяется, достаточна ли мощность привода станка для выполнения операции с заданными режимами.
• Для фрезерования витков червяка: Расчет ведется похожим образом, но вместо подачи на оборот здесь используется подача на один зуб фрезы (Sz), а скорость резания зависит от диаметра фрезы.
• Для чистового шлифования: Здесь ключевыми параметрами будут характеристики шлифовального круга, его скорость вращения и скорость продольного перемещения стола станка.

Каждый из этих аналитических расчетов — это прямое техническое обоснование параметров операции. Они позволяют не только обеспечить выполнение требований чертежа, но и сделать это с максимальной производительностью, не допуская преждевременного износа дорогостоящего инструмента и оборудования.

Глава 5. От секунд к себестоимости, или расчет экономического эффекта

Мы рассчитали физические параметры обработки, но для бизнеса важны не метры в минуту, а рубли и часы. Следующий шаг — перевести режимы резания в экономические показатели, а именно — в норму времени на изготовление детали. Это и есть финальное экономическое обоснование всего нашего технологического процесса.

Время, затрачиваемое на изготовление одной детали, называется штучно-калькуляционным временем (Тшт.к.). Оно складывается из нескольких компонентов:

• Основное (технологическое) время (То): Время, в течение которого происходит непосредственное изменение формы детали (т.е. резание). Оно напрямую рассчитывается из режимов резания, полученных в предыдущей главе.
• Вспомогательное время (Тв): Время, затрачиваемое на действия, связанные с выполнением операции, но не относящиеся к резанию (установка и снятие детали, подвод и отвод инструмента, измерения).
• Время на обслуживание рабочего места (Тобс): Учитывает затраты времени на раскладку инструмента, чистку станка в течение смены.
• Время на отдых и личные надобности (Тотл): Нормируемое время для восстановления работоспособности.
• Подготовительно-заключительное время (Тпз): Время на получение задания и инструмента, наладку станка. Оно «размазывается» на всю партию деталей.

На основе рассчитанных в Главе 4 режимов мы последовательно определяем основное время для каждой операции маршрута: токарной, фрезерной, шлифовальной. Затем, используя нормативы, добавляем к нему вспомогательное и прочие виды времени. Просуммировав штучно-калькуляционное время по всем операциям, мы получаем общую трудоемкость изготовления одного вала-червяка. Этот итоговый показатель в человеко-часах и является главным критерием эффективности разработанного нами техпроцесса. Чем он ниже при соблюдении всех требований качества, тем более конкурентоспособным будет наше производство.

Проект практически завершен. Все инженерные и экономические решения приняты, расчеты выполнены. Теперь необходимо формализовать результаты нашей работы, представив их в виде стандартизированного комплекта технологической документации. Этот финальный этап превращает наши расчеты и рассуждения в действующий производственный документ.

В полный комплект входят:

• Маршрутная карта: Документ верхнего уровня, описывающий весь путь детали по цехам и операциям с указанием оборудования.
• Операционные карты: Детальные инструкции для каждой операции, содержащие эскизы, переходы, режимы резания, инструмент и рассчитанные нормы времени.
• Карты эскизов: Графические изображения для каждого перехода, наглядно показывающие, что и как нужно делать.

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что мы прошли весь путь проектирования: от глубокого анализа чертежа и обоснованного выбора заготовки до детального расчета режимов резания и определения итоговой трудоемкости. Весь процесс проектирования носит итерационный характер: иногда расчеты на поздних этапах заставляют вернуться назад и скорректировать ранее принятые решения. Но в результате мы получили технологический процесс, который является не просто набором инструкций, а оптимальным и экономически обоснованным решением конкретной инженерной задачи. Именно в этом и заключается суть курсовой работы технолога.

Список использованной литературы

1. Т. 1 и 2 справочник технолога – машиностроителя. Под редакцией А.Г Косиловой и Р.К. Мещерякова – 4-е издание, переработано и дополнено – М.: Машиностроение, 1985
2. Конспект лекций.
3. Общемашиностроительные нормативы времени для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Москва 1967г., часть 1, часть 2.