Структура и этапы выполнения курсовой работы по проектированию технологического процесса механической обработки вала

Ведущую роль в научно-техническом прогрессе играет машиностроение, и ключевым условием его развития является постоянное совершенствование технологии производства. Технология как наука систематизирует способы обработки материалов для получения готовой продукции, а ее эффективность определяется такими показателями, как производительность труда, себестоимость и качество изделий. В рамках учебного процесса курсовая работа по проектированию технологического процесса (ТП) является фундаментальной задачей, позволяющей применить теоретические знания на практике. Объектом данного проектирования выступает вал — одна из самых распространенных типовых деталей в машиностроении. Конечная цель работы — разработать оптимальный, экономически и технически обоснованный технологический процесс, обеспечивающий изготовление вала в строгом соответствии с требованиями чертежа.

Глава 1. Анализ исходных данных и технологичности конструкции вала

Проектирование любого технологического процесса начинается с глубокого анализа исходных данных, то есть с внимательного «чтения» чертежа детали. На этом этапе необходимо изучить всю представленную информацию: материал детали и его свойства, габаритные размеры, а также ключевые технические требования — допуски на размеры, форму и взаимное расположение поверхностей, и, конечно же, параметры шероховатости. Эти данные определяют сложность будущей обработки и влияют на все последующие решения.

Центральным понятием на данном этапе является технологичность конструкции. Это свойство детали, которое определяет ее приспособленность к изготовлению с минимальными затратами времени и средств. Конструкция считается технологичной, если она позволяет использовать стандартное оборудование и инструмент, обеспечивает удобство базирования и закрепления, а также минимизирует количество и сложность операций.

Примером технологичного решения для вала является наличие центровых отверстий для базирования, стандартных канавок для выхода инструмента и галтелей плавных переходов. Напротив, нетехнологичным решением могут быть очень глубокие и узкие пазы, сложные несимметричные элементы или завышенные требования к точности без функциональной необходимости.

Анализ чертежа вала позволяет сделать вывод о его технологичности. Как правило, валы являются достаточно технологичными деталями, однако ключевая задача инженера — выявить конструктивные особенности, которые потребуют особого внимания при разработке маршрута обработки для обеспечения заданной точности и шероховатости поверхностей.

Глава 2. Обоснование выбора метода получения заготовки

После анализа конструкции детали следующим фундаментальным шагом является выбор метода получения заготовки. Это решение критически важно, поскольку оно определяет объем последующей механической обработки, расход материала и, в конечном счете, себестоимость готового изделия. Для деталей типа «вал» основными методами являются:

• Горячекатаный прокат. Наиболее дешевый и распространенный метод, подходящий для единичного и мелкосерийного производства. Дает невысокую точность и значительные припуски на обработку, что приводит к низкому коэффициенту использования материала.
• Поковка (свободной ковкой или в штампах). Позволяет получить заготовку, форма которой приближена к форме готовой детали. Штамповка более производительна и точна, применяется в крупносерийном и массовом производстве. Ковка улучшает механические свойства материала за счет формирования волокнистой структуры.
• Литье. Для стальных валов применяется редко, в основном для деталей сложной формы или из специфических сплавов.

Выбор всегда основывается на технико-экономическом обосновании, которое учитывает программу выпуска (тип производства). Для единичного производства чаще всего экономически оправдан прокат. Для серийного и массового — штамповка, так как экономия материала и сокращение времени на последующую обработку окупают высокую стоимость штамповой оснастки. В рамках курсовой работы необходимо сравнить эти варианты и, исходя из заданного объема партии, аргументированно выбрать оптимальный метод.

Глава 3. Разработка маршрута механической обработки детали

Маршрут обработки — это логическая последовательность технологических операций, которая превращает заготовку в готовую деталь. Построение маршрута подчиняется строгим принципам, направленным на достижение требуемой точности с минимальными затратами.

Основной принцип — это движение от черновых операций к чистовым. Сначала выполняются операции, снимающие основной объем припуска (черновые), затем — придающие детали окончательные размеры и форму (чистовые), и в завершение — обеспечивающие требуемое качество поверхности (отделочные, например, шлифование).

Типовой маршрут механической обработки вала выглядит следующим образом:

1. Подготовительные операции: правка прутка (если заготовка из проката), резка в размер, фрезерование торцов и сверление центровых отверстий. Это этап создания технологических баз.
2. Токарные черновые операции: обточка наружных поверхностей с большими припусками. Цель — удалить дефектный слой заготовки и максимально приблизиться к чистовым размерам.
3. Термическая обработка (если требуется по чертежу): например, закалка с последующим отпуском для повышения твердости и износостойкости.
4. Токарные чистовые операции: растачивание и обточка поверхностей для достижения точных размеров и подготовки под шлифование.
5. Фрезерные операции: фрезерование шпоночных пазов, лысок или других конструктивных элементов.
6. Шлифовальные операции: окончательная обработка наиболее точных шеек вала для достижения требуемой точности и низкой шероховатости поверхности.

Каждая операция в маршруте решает свою конкретную задачу. Например, черновая обточка убирает «лишний» металл, а чистовое шлифование «доводит» поверхность до финальных параметров. Обоснование этой последовательности является ключевой частью курсовой работы.

Глава 4. Выбор и обоснование технологических баз

Для того чтобы обработать деталь точно, ее нужно правильно и однозначно сориентировать относительно режущего инструмента на станке. Поверхности, которые для этого используются, называются технологическими базами. Правильный выбор баз — залог обеспечения соосности, перпендикулярности и других требований к взаимному расположению поверхностей.

Ключевым в проектировании является принцип единства баз. Он гласит, что по возможности следует использовать одни и те же поверхности в качестве баз для выполнения большинства операций. Это позволяет минимизировать погрешности, возникающие при смене баз.

Для деталей типа «вал» идеальными технологическими базами являются центровые отверстия, выполненные на торцах заготовки. Установка вала в центрах станка обеспечивает:

• Наивысшую точность вращения.
• Гарантированную соосность всех обтачиваемых и шлифуемых поверхностей.
• Возможность многократно снимать и устанавливать деталь на станок без потери точности базирования.

Именно поэтому первыми операциями в маршруте всегда являются подготовка торцов и центровых отверстий. На отдельных операциях, например, при фрезеровании шпоночного паза, в качестве вспомогательных баз могут использоваться ранее обработанные наружные цилиндрические поверхности (шейки) вала.

Глава 5. Расчет и назначение операционных припусков

Припуск на обработку — это слой металла, который необходимо удалить с поверхности заготовки для получения готовой детали. Его основное назначение — компенсировать все погрешности и дефекты предыдущей операции (неровности, дефектный поверхностный слой, погрешности установки) и обеспечить возможность достижения требуемой точности на текущей операции.

Существует два основных метода определения припусков:

1. Табличный метод: припуски выбираются по справочным таблицам на основе данных о материале, размерах, методе получения заготовки и виде обработки. Это быстрый, но менее точный метод.
2. Расчетно-аналитический метод: припуск определяется как сумма пространственных отклонений, шероховатости и дефектного слоя, оставшихся после предыдущей обработки. Этот метод более трудоемкий, но и более точный, и именно он чаще всего требуется в курсовых проектах.

Расчет ведется последовательно, от чистовой операции к черновой. Сначала определяется минимальный припуск для финальной операции (например, шлифования), затем для чистового точения (с учетом припуска на шлифование) и так далее до заготовки. Результаты расчетов для наглядности обычно сводятся в таблицу.

Пример структуры таблицы расчета припусков для наружной шейки вала

Операция	Параметры точности (Ra, T, ρ)	Расчетный мин. припуск (2Zmin), мм	Исполнительный размер, мм
Шлифование чистовое	…	…	Ø50h6
Точение чистовое	…	…	Ø50.2±0.05
Точение черновое	…	…	Ø51.5±0.1

Глава 6. Подбор технологического оборудования и инструмента

Когда маршрут обработки определен и припуски рассчитаны, наступает этап выбора конкретных средств производства. Для каждой операции из разработанного маршрута необходимо подобрать станок, приспособления и режущий инструмент. Этот выбор является ключевым этапом проектирования и должен быть тщательно обоснован.

Подбор оборудования осуществляется на основе следующих критериев:

• Вид операции: для точения — токарный станок, для фрезерования — фрезерный и т.д.
• Габариты детали: станок должен обеспечивать возможность установки и обработки заготовки заданных размеров.
• Требуемая точность: для черновых операций подойдут станки нормальной точности, для чистовых и отделочных — повышенной или высокой.
• Программа выпуска: для массового производства целесообразно использовать станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматизированные линии, которые значительно повышают производительность и стабильность качества.

Аналогично подбирается режущий инструмент (резцы, фрезы, сверла, шлифовальные круги). Его выбор зависит от материала обрабатываемой детали, вида обработки (черновая/чистовая) и материала самого инструмента (быстрорежущая сталь, твердый сплав, керамика). Выбранные модели станков и типы инструментов заносятся в технологическую документацию.

Глава 7. Расчет режимов резания и норм времени

Расчет режимов резания — это определение оптимальных параметров обработки, которые обеспечат требуемую производительность и качество при заданной стойкости инструмента. Это обязательная и одна из самых сложных частей курсовой работы. Расчет проводится для каждой операции, но в пояснительной записке обычно подробно расписывается для 1-2 самых показательных (например, чернового точения и чистового шлифования).

Расчет ведется в следующей последовательности:

1. Глубина резания (t, мм): обычно назначается равной припуску на обработку за один проход.
2. Подача (S, мм/об): выбирается по справочникам в зависимости от требуемой шероховатости, жесткости системы и мощности станка. Для черновой обработки выбирают максимально возможную подачу, для чистовой — меньшую.
3. Скорость резания (V, м/мин): рассчитывается по эмпирической формуле, учитывающей множество коэффициентов (обрабатываемый и инструментальный материалы, стойкость инструмента, подача, глубина резания).
4. Частота вращения шпинделя (n, об/мин): вычисляется на основе рассчитанной скорости резания и диаметра обработки. Полученное значение корректируется по паспорту станка до ближайшего стандартного.

После расчета режимов резания производится нормирование — расчет нормы времени на выполнение операции. Оно включает расчет основного (машинного) времени, напрямую зависящего от режимов резания, и вспомогательного времени (на установку/снятие детали, подвод инструмента и т.д.).

Глава 8. Оформление технологической документации

Результаты всей проделанной проектно-расчетной работы должны быть представлены в виде стандартизированного комплекта технологических документов. Это графическая часть курсового проекта, которая наглядно демонстрирует разработанный техпроцесс. Оформление выполняется в строгом соответствии с государственными стандартами Единой системы технологической документации (ЕСТД).

Основной комплект документов включает:

• Маршрутная карта: основной документ, описывающий весь технологический маршрут в целом. В ней указывается перечень всех операций, используемое оборудование, профессия рабочего и нормы времени.
• Операционные карты: составляются на наиболее сложные операции (например, токарные с ЧПУ, шлифовальные). В них детально расписывается последовательность переходов и установов внутри одной операции, указываются режимы резания, инструмент и средства контроля.
• Карты эскизов: содержат графические иллюстрации для каждой операции, показывающие схему установки детали, обрабатываемые поверхности и размеры, которые необходимо выполнить и проконтролировать.

Важно помнить, что аккуратность, точность и строгое соответствие ГОСТам при заполнении этих документов являются одним из ключевых критериев оценки всей курсовой работы.

Заключение

Проектирование технологического процесса изготовления детали — это комплексная инженерная задача, требующая системного подхода. В ходе выполнения курсовой работы был пройден полный цикл разработки: от всестороннего анализа чертежа и оценки технологичности конструкции до детального расчета всех параметров обработки и оформления итогового комплекта технологической документации. Был выбран оптимальный метод получения заготовки, спроектирован последовательный маршрут механической обработки, обоснован выбор технологических баз, рассчитаны межоперационные припуски и режимы резания.

Главным итогом работы является спроектированный технологический процесс, который обеспечивает изготовление детали «вал» в полном соответствии с заданными техническими требованиями чертежа по точности и качеству поверхностей. В качестве возможного направления для дальнейшей оптимизации можно рассмотреть применение более прогрессивного режущего инструмента или полную автоматизацию производства на базе гибких производственных модулей, что позволит дополнительно повысить производительность и снизить влияние человеческого фактора.

Список использованной литературы

1. Горбацевич А.Ф., Шкред В.А. Курсовое проектирование по технологии машиностроения. – Минск: Высш. Шк., 1983. – 256 с.
2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2Т; Т2. Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М: Машиностроение, 1988, 496 с.
3. Обработка металлов резанием. Справочник технолога / А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм и др./ Под ред. А.А. Панова. М.: Машиностроение, 1988, 736с.
4. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под. общ. ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. 640с.
5. Антонюк Ф. И. «Технология производства заготовок», конспект лекций.
6. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1985 – 416 с., ил.
7. Никитич В.Т. «Основы технологии машиностроения», конспект лекций.
8. Никитич В.Т. «Технология машиностроения», конспект лекций.
9. Никитич В.Т., Сидоров В.Б. Методические указания по выполнению домашнего задания: расчет припусков на механическую обработку и определение размеров заготовки. – Калуга., 1998. – 34 с.
10. Режимы резания металлов. Справочник. Под ред. Барановского Ю.В. Изд. 3-е, переработанное и дополненное. М., «Машиностроение», 1972.
11. Справочник технолога-машиностроителя. Т.1. Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. 656 с., ил.
12. Д.В.Кожевников, В.А.Гречишников, С.В.Кирсанов, С.Н.Григорьев, А.Г.Схиртладзе Режущий инструмент. Учебник. Изд. 4-е переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 2014. — 520 с.
13. Маслов А.Р. Инструментальные системы машиностроительных производств: учебник. М.: Машиностроение, 2006. — 336 с.: ил.
14. Справочник конструктора-инструментальщика/ Под ред. В.А. Гречишникова и С.В. Кирсанова. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2006. – 542с.: ил.(УМО АМ)
15. Инструментальные системы интегрированных машиностроительных производств. Монография/ Григорьев С.Н., Гречишников В.А., Маслов А.Р. — М.: ФГБОУ ВПО МГТУ«СТАНКИН», 2012 . —194с.: ил.
16. Инструментальная оснастка станков с ЧПУ : Справочник / Под общ. ред. А.Р. Маслова. — М.: Машиностроение, 2006.- 544 с.: ил. – (Б-ка инструментальщика).
17. Инструментальные системы. Токарные резцы: метод. указ. к выполнению лаб. работы / сост. Н.В. Колесов, В.Б. Романов, П.М. Пивкин – М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2013.
18. Инструментальные системы. Торцовые фрезы: метод. указ. к выполнению лаб. работы / сост. Н.В. Колесов, В.Б. Романов, П.М. Пивкин – М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2013.
19. Инструментальные системы. Свёрла: метод. указ. к выполнению лаб. работы / сост. Н.В. Колесов, Петухов Ю.Е., В.Б. Романов, П.М. Пивкин – М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2013.
20. Инструментальные системы. Развёртки: метод. указ. к выполнению лаб. работы / сост. Н.В. Колесов, В.Б. Романов, П.М. Пивкин – М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2013