Курсовая работа — разработка технологического процесса изготовления коллектора электростартера

Введение

В современном машиностроении электрооборудование играет неотъемлемую роль, являясь нервной системой любого сложного агрегата, от автомобиля до промышленного станка. Надёжность и долговечность этих систем напрямую зависят от качества каждого компонента. Одним из таких критически важных узлов в системе запуска двигателя является коллектор электростартера. Этот элемент отвечает за передачу электрического тока на обмотку якоря и обеспечение стабильной коммутации, что делает его ключевым для работоспособности всего стартера и, как следствие, автомобиля. Малейшие дефекты или отклонения в технологии его изготовления могут привести к преждевременному выходу из строя и дорогостоящему ремонту.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью обеспечения высокого качества и конкурентоспособности продукции в условиях современного рынка. Целью настоящей курсовой работы является разработка комплексного технологического процесса изготовления детали «Коллектор», который гарантирует соответствие изделия всем конструкторским и эксплуатационным требованиям.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ключевые задачи:

1. Провести детальный анализ конструкции и технических требований к детали.
2. Выбрать и экономически обосновать оптимальный метод получения заготовки.
3. Спроектировать маршрутную технологию механической обработки.
4. Разработать операционную технологию для наиболее ответственных операций.
5. Описать специальные процессы, сборку и финишную обработку.
6. Разработать систему технического контроля качества готового изделия.

Анализ детали и исходных технических требований

Деталь «Коллектор» представляет собой сложный узел, основное назначение которого — осуществление скользящего электрического контакта для передачи постоянного тока на обмотки вращающегося якоря электродвигателя стартера. Конструктивно он состоит из набора медных токопроводящих сегментов (ламелей), которые надежно изолированы друг от друга специальными прокладками.

Выбор материалов для коллектора продиктован его функциональными задачами. Для ламелей используются медные сплавы (например, латунь), обладающие высокой электропроводностью для минимизации потерь тока и достаточной механической прочностью для сопротивления износу. В качестве изоляторов применяются материалы с высокой диэлектрической прочностью и термостойкостью, такие как слюда или современные полимерные композиты. Это гарантирует отсутствие коротких замыканий между сегментами даже при высоких нагрузках и температурах.

Анализ чертежа детали выявляет ряд строгих технических требований, ключевых для её работоспособности:

• Точность геометрических размеров: Необходимо строго выдерживать диаметральные размеры рабочих поверхностей, а также ширину и глубину пазов между ламелями.
• Шероховатость поверхностей: К рабочим поверхностям, контактирующим со щетками, предъявляются высокие требования по шероховатости (часто на уровне Ra 0.8 — 1.6 мкм) для уменьшения износа и обеспечения стабильного контакта.
• Допуски формы и расположения: Заданы жесткие допуски на биение рабочих поверхностей относительно оси вращения, что критически важно для предотвращения искрения и вибраций.
• Требования к изоляции: Гарантированное высокое сопротивление изоляции между соседними медными сегментами является одним из важнейших параметров, предотвращающим короткое замыкание.
• Отсутствие дефектов: Не допускаются заусенцы, микротрещины, раковины и другие дефекты на рабочих поверхностях и кромках, которые могут привести к ускоренному износу щеток или нарушению электрического контакта.

Выбор заготовки и обоснование метода её получения

Выбор заготовки является одним из фундаментальных этапов проектирования техпроцесса, напрямую влияющим на его экономическую эффективность и трудоемкость. Для детали «Коллектор» теоретически можно рассмотреть несколько вариантов получения исходной заготовки:

• Литье: Позволяет получить заготовку сложной формы, однако для медных сплавов характеризуется сложностью процесса, возможной пористостью и невысокой точностью, что потребует значительных припусков на обработку.
• Горячая штамповка: Обеспечивает хорошее качество поверхности и уплотнение структуры материала, но требует изготовления дорогостоящей оснастки (штампа), что рентабельно только в условиях крупносерийного и массового производства.
• Прокат (калиброванный пруток): Наиболее универсальный и часто применяемый метод для серийного производства. Он обеспечивает высокую точность размеров, качественную поверхность и стабильные свойства материала по всей длине.

Проведя сравнительный анализ, для условий серийного производства наиболее целесообразным вариантом выбираем калиброванный пруток из латуни. Этот выбор аргументируется следующими преимуществами:

1. Высокий коэффициент использования материала: Форма прутка максимально приближена к форме тела вращения, что минимизирует объем материала, уходящего в стружку.
2. Экономическая эффективность: Отсутствует необходимость в дорогостоящей литейной или штамповой оснастке, что снижает стоимость подготовки производства.
3. Технологичность: Прутковая заготовка легко и надежно базируется в патроне токарного станка, что упрощает обработку и повышает ее точность.

Исходя из размеров готовой детали, указанных на чертеже, и с учетом припусков на все стадии механической обработки (черновое и чистовое точение, шлифование), рассчитываются размеры заготовки. Эскиз заготовки будет представлять собой цилиндрический пруток определенного диаметра и длины, достаточной для изготовления одной детали с учетом отрезки.

Проектирование маршрутной технологии механической обработки

Маршрутная технология определяет логически выстроенную и оптимальную последовательность операций, которые должна пройти заготовка, чтобы превратиться в готовое изделие. Правильно спроектированный маршрут обеспечивает выполнение всех технических требований с минимальными затратами времени и ресурсов, а также реализует принцип единства и постоянства баз для достижения максимальной точности. Для детали «Коллектор» технологический маршрут будет выглядеть следующим образом:

1. Операция 005: Заготовительная. Резка калиброванного прутка на мерные заготовки.
2. Операция 010: Токарная. Черновая и чистовая обработка наружных и торцевых поверхностей, проточка канавок согласно чертежу. Создание основной геометрии детали.
3. Операция 015: Фрезерная. Фрезерование продольных пазов, которые разделяют сплошное кольцо на отдельные медные сегменты (ламели).
4. Операция 020: Сверлильная. Сверление крепежных или технологических отверстий, если они предусмотрены конструкцией.
5. Операция 025: Слесарная. Снятие острых кромок и заусенцев после механической обработки для подготовки к следующим операциям и обеспечения безопасности.
6. Операция 030: Гальваническая. Нанесение защитного или функционального покрытия (например, оловянирование) на поверхности.
7. Операция 035: Сборочная. Установка изоляционных прокладок между сегментами и опрессовка узла.
8. Операция 040: Контрольная. Финальный контроль всех параметров готового изделия на соответствие техническим требованиям чертежа.

Каждая операция в этой цепи логически готовит деталь к последующей, обеспечивая постепенное приближение от формы заготовки к полностью готовому изделию.

Разработка операционной технологии для ключевых этапов

Для демонстрации глубины проработки техпроцесса детально рассмотрим две наиболее ответственные операции, формирующие точность и качество коллектора.

Операция 010: Токарная

Цель операции — получение точных наружных диаметров и торцевых поверхностей. Для ее выполнения выбираем токарно-винторезный станок модели 16К20.

• Приспособление: Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон для установки и зажима заготовки.
• Последовательность переходов:
  1. Установить заготовку в патрон, выверить.
  2. Подрезать правый торец.
  3. Проточить наружный диаметр до размера ØD1 (черновая обработка).
  4. Проточить наружный диаметр до размера ØD1 (чистовая обработка), обеспечивая шероховатость Ra 1.6.
  5. Проточить канавку шириной W до глубины H.
  6. Снять деталь.
• Режущий инструмент: Для черновой обработки — резец проходной упорный с пластиной из твердого сплава Т5К10. Для чистовой обработки — резец с пластиной из сплава Т15К6, обеспечивающий лучшее качество поверхности. Для канавки — резец канавочный.
• Режимы резания: Рассчитываются на основе материала детали (латунь), материала инструмента и требуемой производительности. Например, для чистового точения: скорость резания V = 150 м/мин, подача S = 0.1 мм/об, глубина резания t = 0.5 мм.
• Измерительный инструмент: Штангенциркуль ШЦ-I для операционного контроля длин и диаметров, микрометр гладкий МК 0-25 для точного измерения финального диаметра.

Операция 015: Фрезерная

Цель операции — формирование отдельных сегментов коллектора путем фрезерования пазов. Используется горизонтально-фрезерный станок, оснащенный делительной головкой.

• Приспособление: Установка детали в патроне делительной головки для обеспечения точного углового поворота на заданный шаг.
• Последовательность переходов:
  1. Установить деталь в приспособление.
  2. Установить фрезу на заданную глубину.
  3. Фрезеровать первый паз.
  4. Отвести стол, повернуть деталь с помощью делительной головки на требуемый угол.
  5. Повторить фрезерование для всех пазов.
• Режущий инструмент: Дисковая пазовая фреза из быстрорежущей стали Р6М5 или с твердосплавными зубьями. Ширина фрезы должна точно соответствовать требуемой ширине изоляционной прокладки.
• Режимы резания: Скорость резания и подача выбираются исходя из свойств латуни и стойкости фрезы, чтобы избежать оплавления кромок и образования заусенцев.
• Измерительный инструмент: Штангенциркуль для контроля глубины паза, угломер или оптические приборы для контроля точности деления.

Специальные процессы, сборка и финишная обработка

После завершения механической обработки деталь проходит через ряд финишных и сборочных операций, которые придают ей окончательные эксплуатационные свойства.

Центральным специальным процессом является нанесение гальванического покрытия, например, оловянирование или никелирование. Это покрытие преследует две цели: во-первых, оно защищает медную основу от коррозии и окисления в агрессивной подкапотной среде, а во-вторых, улучшает электрический контакт со щетками и снижает переходное сопротивление. Процесс происходит в гальванических ваннах, где под действием тока ионы металла из электролита осаждаются на поверхности детали.

Процесс сборки является не менее ответственным этапом. Он включает в себя аккуратную установку заранее заготовленных изоляционных прокладок из слюды или полимера в пазы между медными сегментами. Важно обеспечить полное заполнение паза и отсутствие зазоров, чтобы гарантировать надежную изоляцию. После установки прокладок узел подвергается опрессовке, которая сжимает пакет из медных и изоляционных пластин, обеспечивая его монолитность и механическую прочность.

Финальные операции включают тщательную очистку от остатков технологических жидкостей и стружки, а также заключительную слесарную обработку — снятие заусенцев. Это критически важная операция, так как даже микроскопический заусенец, оставшийся на краю ламели, может замкнуть соседние сегменты или вызвать интенсивный износ щеток.

Технический контроль и обеспечение качества

Заключительный этап производственного цикла — технический контроль, цель которого — подтвердить соответствие готового изделия всем требованиям конструкторской документации. Карта контроля включает проверку следующих параметров:

• Визуальный осмотр: Проверка на отсутствие механических повреждений, царапин, забоин, а также дефектов гальванического покрытия (вздутий, отслоений).
• Контроль геометрических размеров:
  • Метод: Измерение.
  • Средство: Штангенциркуль, микрометр.
  • Параметры: Наружные диаметры, длина, ширина пазов.
• Контроль шероховатости рабочих поверхностей:
  • Метод: Сравнение с образцами-эталонами или измерение профилометром.
  • Средство: Профилометр, образцы шероховатости.
  • Параметр: Значение Ra.
• Контроль биения рабочих поверхностей:
  • Метод: Измерение в центрах или на призме.
  • Средство: Индикатор часового типа.
  • Параметр: Величина радиального биения.
• Контроль сопротивления изоляции:
  

  Это критически важный тест, подтверждающий главную электрическую функцию. Сопротивление измеряется между каждой парой соседних ламелей.

  • Метод: Измерение высокого сопротивления.
  • Средство: Мегаомметр.
  • Параметр: Сопротивление должно быть не ниже значения, указанного в ГОСТ или ТУ (обычно несколько мегаом).

Заключение

В рамках выполненной курсовой работы была решена поставленная задача: разработан полный и всесторонний технологический процесс изготовления детали «Коллектор электростартера». Проделанная работа демонстрирует системный подход к инженерному проектированию в машиностроении.

В ходе работы были последовательно выполнены все ключевые этапы. Был проведен анализ исходных требований к детали, на основе которого обоснован выбор материалов. Путем сравнительного анализа был выбран наиболее экономически и технологически целесообразный вид заготовки — калиброванный пруток. Была спроектирована маршрутная технология, охватывающая все стадии от заготовительной до контрольной, и детально проработаны операционные технологии для ключевых операций — токарной и фрезерной — с расчетом режимов и выбором инструмента.

В результате был предложен технологический процесс, который гарантирует получение готового изделия, полностью соответствующего техническим требованиям чертежа по точности размеров, качеству поверхностей и, что особенно важно, по электрическим параметрам изоляции. В качестве возможного направления для дальнейшей оптимизации можно рассмотреть применение станков с ЧПУ для повышения производительности и стабильности качества, а также исследование более современных полимерных материалов для изоляционных прокладок с улучшенными диэлектрическими и термическими свойствами.