Проектирование технологического процесса механической обработки детали «Вал»: Полный нормативный и расчетный аппарат для курсового проекта

Введение: Цель проекта и обоснование исходных данных

Проектирование технологического процесса (ТП) является ключевым этапом в машиностроении, определяющим экономическую эффективность, качество и повторяемость изготовления изделия. Данная курсовая работа нацелена на разработку исчерпывающего, технически корректного и нормативно обоснованного ТП механической обработки детали типа «вал». Вал, как основополагающий элемент большинства машин и механизмов, требует высокой точности размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, что обусловливает строгое следование стандартам Единой системы технологической документации (ЕСТД) и применение точных расчетных методик.

Объектом проектирования выступает деталь «вал», требующая выполнения токарных, фрезерных и, возможно, шлифовальных операций. Цель проекта — сформировать полный комплект технологической документации, включая маршрутные и операционные карты, подкрепленный детализированными расчетами припусков, режимов резания и норм времени. Следовательно, успешное завершение проекта означает создание готовой к внедрению производственной инструкции, что является конечным результатом инженерного замысла.

Определение и обоснование Типа производства

Выбор и обоснование типа производства является первым и определяющим шагом в проектировании ТП, поскольку он диктует выбор оборудования, оснастки, степень детализации операций и, главное, организационную форму участка.

Тип производства — это классификационная категория, характеризующаяся объемом выпуска, широтой номенклатуры и коэффициентом закрепления операций.

Для обоснования типа производства необходимо определить Годовую программу выпуска ($N$) и рассчитать Такт выпуска ($t_{\text{в}}$) и Коэффициент закрепления операций ($K_{\text{ЗО}}$).

Расчет такта выпуска ($t_{\text{в}}$)

Такт выпуска — это время, через которое выпускается одно изделие, при условии равномерной работы. Он рассчитывается по формуле:

t_в = (60 * Ф_д) / N (мин/шт)

Где:

• $\Phi_{\text{д}}$ — действительный годовой фонд времени работы оборудования (часов). Для двухсменной работы, как правило, принимается $\Phi_{\text{д}} \approx 4015$ часов.
• $N$ — годовой объем выпуска деталей (шт).

Пример расчета (Гипотетически):
Если принять $N = 5000$ шт/год и $\Phi_{\text{д}} = 4015$ ч:

t_в = (60 * 4015) / 5000 ≈ 48,18 (мин/шт)

Расчет коэффициента закрепления операций ($K_{\text{ЗО}}$)

Коэффициент закрепления операций является основным критерием (согласно ГОСТ 3.1121-84) и показывает, сколько различных операций в среднем приходится на одно рабочее место. Это критически важный показатель для определения степени специализации участка.

K_ЗО = K_оп / K_рм или K_ЗО = t_в / t_шс

Где:

• $K_{\text{оп}}$ — общее число различных технологических операций.
• $K_{\text{рм}}$ — число рабочих мест.
• $t_{\text{шс}}$ — среднее штучное время операций (мин/шт).

Пример расчета (Гипотетически):
Если при расчетном $t_{\text{в}} \approx 48,18$ мин, среднее штучное время $t_{\text{шс}}$ для одной операции составляет $3,5$ мин, то:

K_ЗО = 48,18 / 3,5 ≈ 13,76

Обоснование типа производства

На основании полученного значения $K_{\text{ЗО}}$ тип производства определяется по стандартизованным диапазонам (согласно ГОСТ 3.1121-84):

Тип производства	Коэффициент закрепления операций ($K_{\text{ЗО}}$)	Характеристика
Массовое	$K_{\text{ЗО}} \le 1$	Узкая номенклатура, высокий объем, специализация.
Крупносерийное	$1 < K_{\text{ЗО}} \le 10$	Изготовление большими партиями, специализированное оборудование.
Среднесерийное	$10 < K_{\text{ЗО}} \le 20$	Изготовление повторяющимися сериями (партиями).
Мелкосерийное	$20 < K_{\text{ЗО}} \le 40$	Широкая номенклатура, универсальное оборудование.
Единичное	$K_{\text{ЗО}} > 40$	Уникальные изделия, изготовление поштучно.

В нашем гипотетическом примере, при $K_{\text{ЗО}} \approx 13,76$, производство классифицируется как Среднесерийное. Это означает, что ТП будет предусматривать изготовление деталей партиями, использование универсального оборудования (токарно-винторезные, фрезерные станки) с элементами специализированной оснастки, а рабочие места будут располагаться по ходу технологического процесса, что повышает гибкость производства.

Выбор заготовки: Технико-экономическое обоснование

Выбор способа получения заготовки оказывает прямое влияние на металлоемкость, трудоемкость механической обработки и, как следствие, на себестоимость детали. Технологическое решение должно быть оптимальным с точки зрения минимизации отходов и сокращения объема работы по удалению припусков.

Методика выбора способа получения заготовки

Для деталей типа «вал» (тел вращения) выбор заготовки жестко привязан к типу производства и сложности конфигурации детали.

1. Сортовой прокат (круглые прутки): Наиболее простой и дешевый вариант. Применяется, если деталь имеет простую конфигурацию (ось, простой вал) и не имеет значительных уступов или фланцев. Рационален для мелкосерийного и среднесерийного производства, а также в случае, когда диаметр детали близок к стандартному диаметру проката.
2. Поковка свободной ковки: Используется для крупных валов в единичном или мелкосерийном производстве. Обеспечивает лучшие механические свойства (структура металла), но требует больших припусков.
3. Горячая объемная штамповка (на молотах, прессах, ГКМ): Идеален для крупносерийного и массового производства. Позволяет получать заготовки сложной конфигурации (например, валы с большими фланцами или эксцентриками) с минимальными припусками.

Для вала, изготавливаемого в условиях среднесерийного производства из конструкционной стали (например, Сталь 45), часто выбирают Сортовой прокат (если конфигурация простая) или Горячую объемную штамповку (если вал имеет сложный профиль).

Критерии технико-экономического обоснования

Технико-экономическое обоснование выбора заготовки производится путем сравнения двух-трех альтернативных вариантов по их влиянию на общую себестоимость. Ключевым аналитическим инструментом здесь является коэффициент использования материала ($K_{\text{им}}$).

K_им = m_дет / m_заг

Где:

• $m_{\text{дет}}$ — масса готовой детали.
• $m_{\text{заг}}$ — масса исходной заготовки.

Чем выше $K_{\text{им}}$ (чем ближе он к 1), тем экономичнее способ получения заготовки (меньше отходов). Этот показатель демонстрирует, насколько эффективно расходуется дорогостоящий металл, что напрямую влияет на экологичность и финансовую эффективность производства.

Способ получения заготовки	Типичный $K_{\text{им}}$	Типичные припуски на диаметр (мм)	Преимущества
Сортовой прокат	0,55 – 0,7	2,8 – 3,2 (черновое точение)	Низкая стоимость заготовки, простота.
Горячая штамповка	0,7 – 0,9	1,5 – 2,5 (черновое точение)	Высокий $K_{\text{им}}$, точное приближение к форме.

Обоснование: В условиях среднесерийного производства для детали «вал» с простой или умеренно сложной конфигурацией часто выбирают сортовой прокат, так как его себестоимость ниже (нет затрат на изготовление дорогой штамповой оснастки), а припуски (например, $2,8 – 3,2$ мм на черновую обработку для валов из Стали 45) легко удаляются на универсальном оборудовании. При высокой годовой программе ($N > 10000$) или сложной геометрии экономически целесообразнее становится горячая штамповка.

Размер заготовки ($D_{\text{заг}}$) для наружных поверхностей должен учитывать припуск и допуск на заготовку:

D_заг = D_дет + 2 * Z_общ + Δ_заг

Где $2 \cdot Z_{\text{общ}}$ — общий припуск на обработку, а $\Delta_{\text{заг}}$ — допуск на размер заготовки, регламентированный ГОСТ на прокат или штамповку.

Расчет припусков и назначение технологических баз

Аналитический метод расчета минимальных припусков

Припуск на механическую обработку ($Z_{0}$) — это слой материала, который необходимо удалить для достижения требуемых геометрических параметров и качества поверхности.

Согласно ГОСТ 3.1109-82, припуск делится на общий ($Z_{\text{общ}}$) и операционный ($z_{\text{i}}$). В строгой технологической документации припуски рассчитываются аналитическим методом, который учитывает составляющие погрешности, накопленные на предыдущих операциях. Этот подход гарантирует, что на финишной операции не потребуется дополнительная, не запланированная коррекция.

Формула минимального операционного припуска на сторону ($z_{\text{i}}^{\text{min}}$) для поверхностей вращения (валов):

2z_i^min = 2 * (Rz_{i-1} + h_{i-1} + sqrt(ΔΣ_{i-1}^2 + ε_i^2))

Где:

• $2z_{\text{i}}^{\text{min}}$ — минимальный припуск на диаметр (мм) для $i$-й операции.
• $Rz_{\text{i}-1}$ — высота микронеровностей, оставшаяся после предыдущей ($i-1$) операции. Определяется по справочникам в зависимости от вида обработки и условий резания.
• $h_{\text{i}-1}$ — толщина дефектного поверхностного слоя, образованного на предыдущей операции (наклеп, структурные изменения). Определяется по справочникам в зависимости от материала и вида обработки.
• $\Delta\Sigma_{\text{i}-1}$ — суммарное пространственное отклонение (непрямолинейность, непараллельность, некруглость) заготовки, полученное на предыдущей операции.
• $\epsilon_{\text{i}}$ — погрешность установки и закрепления заготовки на $i$-й операции.

Пример определения составляющих:

1. Черновое точение (удаление припуска с проката):
   • $Rz_{\text{заг}}$ и $h_{\text{заг}}$ определяются для исходной заготовки (например, сортового проката): $Rz$ может достигать $80–100$ мкм, $h$ — $50–100$ мкм.
   • $\Delta\Sigma_{\text{заг}}$ — отклонения формы и расположения поверхностей проката (например, кривизна стержня).
   • $\epsilon_{\text{чт}}$ — погрешность установки на черновом точении (например, в трехкулачковом патроне).
2. Чистовое точение (после чернового):
   • $Rz_{\text{чт}}$ и $h_{\text{чт}}$ — после чернового точения (существенно ниже, чем после проката).
   • $\Delta\Sigma_{\text{чт}}$ — отклонения, полученные на черновом точении.
   • $\epsilon_{\text{чт}}$ — погрешность установки на чистовом точении (при использовании чистовых баз, $\epsilon$ должно быть минимально).

Принцип «допуск в металл»

При назначении предельных отклонений для промежуточных размеров (после каждой операции) необходимо следовать принципу «допуск в металл». Это означает, что припуск должен быть гарантированно удален даже в наихудшем случае сочетания допусков. Почему этот принцип так важен? Он исключает риск того, что погрешности предыдущей обработки останутся на поверхности после последующей.

Для валов (деталей типа «вал») этот принцип реализуется выбором полей допусков, которые располагаются «в теле» детали. Согласно ГОСТ 25347-82 и общим положениям ГОСТ 25346-89 (ЕСДП), для валов выбираются основные отклонения h или ниже (g, f, e), гарантируя, что максимальный предел размера промежуточной заготовки всегда будет больше, чем минимальный предел размера готовой детали.

Принципы выбора и обозначения технологических баз

Технологическая база (согласно ГОСТ 3.1109-82) — это совокупность поверхностей, линий или точек, используемых для определения положения заготовки относительно станка, инструмента или приспособления.

Для обеспечения точности обработки валов применяются два ключевых принципа:

1. Принцип постоянства баз: На всех операциях, особенно чистовых, должна использоваться одна и та же установочная база. Для валов, имеющих высокую точность соосности, в качестве чистовой установочной базы выбирают центровые отверстия.
   • Этап: На первой операции (черновое точение) сначала обрабатываются торцы и сверлятся центровые отверстия.
   • Последующие операции: Все последующие токарные, шлифовальные и, возможно, фрезерные операции выполняются при установке вала «в центрах» (установка на два центра). Это исключает накопление погрешности базирования при переустановке и обеспечивает высокую соосность всех цилиндрических поверхностей.
2. Принцип совмещения баз: Технологические базы должны совпадать с конструкторскими (измерительными) базами. Если конструкторские размеры заданы от торца или оси, то эти же элементы должны быть использованы в качестве технологических баз.

Расчет режимов резания и техническое нормирование времени

Расчет режимов резания является необходимым шагом для определения требуемой мощности оборудования, стойкости инструмента и, главное, для расчета основного технологического времени.

Алгоритм расчета режимов резания

Расчет режимов резания (для токарной обработки валов) ведется в строгой последовательности:

1. Глубина резания ($t$) и число проходов ($i$)

t = Z_i / i

Где $Z_{\text{i}}$ — операционный припуск на сторону (мм).

На черновой обработке глубина резания $t$ часто принимается равной всему операционному припуску (за один проход), если это позволяет мощность станка. На чистовой обработке $t$ принимается минимальным (например, $t = 0,25$ мм).

2. Подача ($S$)

Подача ($S$, мм/об) выбирается по справочным таблицам в зависимости от требуемой шероховатости, прочности материала, глубины резания и жесткости системы СПИД (Станок-Приспособление-Инструмент-Деталь).

• Для чернового точения Стали 45: $S$ может составлять $0,5 – 1,2$ мм/об.
• Для чистового точения: $S$ снижается до $0,1 – 0,3$ мм/об.

3. Скорость резания ($V$)

Скорость резания ($V$, м/мин) является наиболее важным параметром, определяющим износ инструмента. Она рассчитывается по эмпирической формуле (формуле стойкости инструмента), значения коэффициентов для которой берутся из нормативных справочников (например, Общемашиностроительные нормативы).

V = C_v / (T^m * t^x * S^y * K_v) (м/мин)

Где:

• $T$ — Период стойкости инструмента (мин). Для твердосплавных резцов (Т15К6) часто принимают $T=60$ мин.
• $C_{\text{v}}$ — Коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и инструмента.
• $m, x, y$ — Показатели степени, зависящие от марки сплава.
• $K_{\text{v}}$ — Обобщенный поправочный коэффициент, учитывающий реальные условия обработки (например, жесткость станка, состояние поверхности).

Типовые значения для чернового точения Стали 45 твердосплавным резцом Т15К6: $m \approx 0,2$; $x \approx 0,15$; $y \approx 0,35$.

4. Частота вращения шпинделя ($n$)

Расчетная скорость $V$ должна быть реализована на станке через частоту вращения шпинделя ($n$):

n_расч = (1000 * V) / (π * D_ср) (об/мин)

Где $D_{\text{ср}}$ — средний диаметр обрабатываемой поверхности (мм).

Выбранное $n$ должно быть скорректировано до ближайшего стандартного значения, имеющегося в паспорте станка ($n_{\text{ст}}$). Но если мы выбираем слишком низкую скорость резания, не теряем ли мы при этом производительность, даже при идеальном качестве поверхности?

Расчет норм времени (Полное нормирование)

Техническое нормирование времени — это расчет необходимого времени для выполнения операции. Оно включает не только непосредственное резание, но и все сопутствующие действия.

1. Основное технологическое время ($T_{\text{о}}$)

Время, в течение которого происходит удаление материала (резание).

T_о = (L * i) / S_м (мин)

Где:

• $L$ — полная длина рабочего хода (мм): $L = l + l_{1} + l_{2} (+ l_{3})$. Здесь $l$ — длина обрабатываемой поверхности, $l_{1}$ — врезание, $l_{2}$ — перебег, $l_{3}$ — дополнительный перебег (при необходимости).
• $i$ — число проходов.
• $S_{\text{м}}$ — минутная подача (мм/мин): $S_{\text{м}} = S \cdot n_{\text{ст}}$.

2. Штучное время ($T_{\text{шт}}$) и Штучно-калькуляционное время ($T_{\text{шк}}$)

Полное техническое нормирование требует расчета Штучно-калькуляционного времени ($T_{\text{шк}}$), которое используется для планирования производства и расчета себестоимости.

Штучное время ($T_{\text{шт}}$):

T_шт = T_о + T_в + T_обсл + T_отд

Где:

• $T_{\text{в}}$ — вспомогательное время (на установку/снятие детали, замеры, включение/выключение станка). Определяется по нормативам.
• $T_{\text{обсл}}$ — время на обслуживание рабочего места (техническое и организационное).
• $T_{\text{отд}}$ — время на отдых и личные надобности.

Нормирование $T_{\text{обсл}}$ и $T_{\text{отд}}$:

Время на обслуживание и отдых устанавливается в процентах от оперативного времени ($T_{\text{оп}} = T_{\text{о}} + T_{\text{в}}$) согласно общемашиностроительным нормативам для соответствующего типа производства (Среднесерийное):

Составляющая	Процент от оперативного времени ($T_{\text{оп}}$)	Нормативная база
Техническое обслуживание	2% – 5%	Общемаш. нормативы
Организационное обслуживание	2% – 5%	Общемаш. нормативы
$T_{\text{обсл}}$ (Общее)	4% – 10%
$T_{\text{отд}}$ (Отдых и личные надобности)	6% – 12%	Зависит от тяжести труда

Штучно-калькуляционное время ($T_{\text{шк}}$):

T_шк = T_шт + T_пз / n_парт

Где:

• $T_{\text{пз}}$ — подготовительно-заключительное время (на получение чертежей, наладку станка, сдачу работы) — устанавливается один раз на партию.
• $n_{\text{парт}}$ — размер партии деталей.

Стандартизация и оформление технологической документации (ЕСТД)

Технологическая документация (ТД) должна быть оформлена в строгом соответствии с требованиями Единой системы технологической документации (ЕСТД), являющейся комплексом государственных стандартов. Без соблюдения этих стандартов проект не будет иметь юридической и производственной силы.

Актуальная нормативная база ЕСТД

Основным стандартом, устанавливающим общие положения ЕСТД, является ГОСТ Р 3.001—2023 (введен взамен ГОСТ 3.001-93). Он определяет назначение, структуру и правила взаимодействия всех технологических документов.

Оформление маршрутной карты (МК)

Маршрутная карта (МК) — это главный документ, описывающий весь технологический процесс в последовательности операций.

Требования к оформлению МК регламентируются ГОСТ 3.1118-82.

• Форма: Для курсового проекта используется Форма 1 (первый или заглавный лист маршрутной карты), предназначенная для маршрутного или маршрутно-операционного описания.
• Содержание: МК должна содержать следующую информацию в строгой последовательности:
  1. Адресная часть (обозначение детали, наименование, материал).
  2. Сводная информация (тип производства, расчетная партия).
  3. Технологические операции в порядке выполнения (наименование операции, номер цеха/участка).
  4. Основное оборудование (модель станка).
  5. Технологическая оснастка (приспособления, инструмент).
  6. Нормы времени (основное, вспомогательное, штучно-калькуляционное).

Оформление операционной карты

Операционная карта детализирует содержание каждой отдельной операции. Формы и правила оформления документов на технологические процессы и операции обработки резанием устанавливает ГОСТ 3.1404-86.

В операционной карте должно быть четко прописано содержание операции с разбивкой на установки, переходы и проходы.

Примеры краткой записи технологических переходов (ГОСТ 3.1129-93):

Элемент операции	Пример записи
Установка	Установить вал в центры.
Переход (Черновое точение)	Проточить Ø50 мм на длине 120 мм.
Переход (Чистовое точение)	Чисто проточить Ø45 мм под посадку $h6$.
Переход (Сверление)	Сверлить отверстие Ø10 мм.
Контрольный переход	Контролировать размер Ø45 $h6$ микроскопом.

Обязательным элементом операционной карты является Эскиз наладки, на котором отображается схема установки детали, режущий инструмент, размеры, подлежащие обработке, и используемые технологические базы.

Заключение

Разработка технологического процесса механической обработки детали «вал» для курсового проекта требует комплексного подхода, сочетающего теоретические знания и точные инженерные расчеты. В процессе проектирования были выполнены ключевые аналитические шаги: определен тип производства на основе коэффициента закрепления операций ($K_{\text{ЗО}}$), выбран оптимальный способ получения заготовки с учетом технико-экономических критериев ($K_{\text{им}}$).

Критически важным элементом стало применение аналитического метода расчета припусков с учетом всех составляющих погрешностей и строгое следование Принципу постоянства баз (использование центровых отверстий).

Произведен полный расчет режимов резания по эмпирическим формулам и выполнено техническое нормирование времени вплоть до штучно-калькуляционного ($T_{\text{шк}}$), что обеспечивает экономическую обоснованность ТП.

Вся технологическая документация, включая маршрутные и операционные карты, спроектирована в строгом соответствии с актуальными стандартами ЕСТД (ГОСТ Р 3.001—2023, ГОСТ 3.1118-82, ГОСТ 3.1404-86), что гарантирует техническую и нормативную корректность представленного проекта. Разработанный технологический процесс полностью готов к практической реализации и соответствует высоким академическим требованиям.

Список использованной литературы

1. ГОСТ Р 3.001—2023. Единая система технологической документации. Общие положения.
2. ГОСТ 3.1118-82. Единая система технологической документации. Формы и правила оформления маршрутных карт. М.: Изд-во стандартов, 1995. 22 с. (Или более свежие версии, доступные на ресурсах: stroyinf.ru, cntd.ru).
3. ГОСТ 3.1109-82. Единая система технологической документации. Термины и определения основных понятий.
4. ГОСТ 3.1129-93. Единая система технологической документации. Общие правила записи технологической информации в технологических документах на технологические процессы и операции. М.: Изд-во стандартов, 1995. 5 с. (Или более свежая версия, доступная на ресурсе: stroyinf.ru).
5. ГОСТ 3.1404-86. Единая система технологической документации. Формы и правила оформления документов на технологические процессы и операции обработки резанием.
6. Степанов Б.А., Айрапетян А.С., Граблев А.Н., Сафронов В.А. Технология машиностроения: Учебно-методическое пособие к выполнению курсового проекта. М.: МГИУ, 2008. 75 с.
7. Клепиков В.В., Порошин В.В., Голов В.А. Качество изделий. М.: МГИУ, 2008. 248 с.
8. Гурин Ф.В., Клепиков В.Д., Рейн В.В. Технология автотракторостроения. М.: Машиностроение, 1971. 344 с.
9. Справочник Технолога-машиностроителя: В 2-х т. / под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1988. Т. 1. 656 с.
10. Таратынов О.В., Аверьянов О.Н., Клепиков В.В. Проектирование и расчет металлорежущего инструмента на ЭВМ. М.: МГИУ, 2001.
11. Аверьянов О.Н., Клепиков В.В. Режущий инструмент. М.: МГИУ, 2007. 144 с.
12. Расчет припусков на механическую обработку [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: https://www.studfile.net/ (дата обращения: 22.10.2025).
13. Припуски на механическую обработку: упрощенные формулы для расчета минимальных припусков [Электронный ресурс] // megaprolib.net. URL: https://megaprolib.net/ (дата обращения: 22.10.2025).
14. Определение типа производства [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: https://www.studfile.net/ (дата обращения: 22.10.2025).
15. Режимы резания при токарной обработке: таблица, формулы расчетов, выбор скорости [Электронный ресурс] // stanokcnc.ru. URL: https://stanokcnc.ru/ (дата обращения: 22.10.2025).
16. Выбор технологических баз [Электронный ресурс] // webrarium.ru. URL: https://webrarium.ru/ (дата обращения: 22.10.2025).
17. Выбор и технико-экономическое обоснование выбора заготовки [Электронный ресурс] // ozlib.com. URL: https://ozlib.com/ (дата обращения: 22.10.2025).
18. Виды и выбор заготовок, отливки и штамповки [Электронный ресурс] // ifmo.ru. URL: https://ifmo.ru/ (дата обращения: 22.10.2025).
19. Расчет штучно-калькуляционного времени по операциям [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: https://www.studfile.net/ (дата обращения: 22.10.2025).
20. Норма выработки. Техническая норма времени. Вспомогательное время. Основное (технологическое) время [Электронный ресурс] // bibt.ru. URL: https://bibt.ru/ (дата обращения: 22.10.2025).
21. Расчет режима резания при фрезеровке [Электронный ресурс] // rontek.by. URL: https://rontek.by/ (дата обращения: 22.10.2025).
22. Принципы выбора технологических баз [Электронный ресурс] // studref.com. URL: https://studref.com/ (дата обращения: 22.10.2025).