В современном машиностроении, где требования к точности, надежности и долговечности деталей постоянно растут, разработка эффективного технологического процесса изготовления является краеугольным камнем успеха. Детали типа «вал» или «вал-шестерня» входят в число наиболее распространенных и ответственных компонентов большинства машин и механизмов. От правильности их изготовления зависят эксплуатационные характеристики целых агрегатов, а порой и безопасность их работы. Отклонения в размерах, форме, шероховатости или механических свойствах могут привести к преждевременному износу, поломкам и значительным экономическим потерям.
Цель данной курсовой работы — не просто описать общие принципы, но и предоставить исчерпывающее, детальное руководство по всем этапам технологического проектирования вала, что крайне важно для предотвращения дорогостоящих ошибок на производстве. Мы погрузимся в мир инженерных расчетов, стандартов и практических решений, которые позволят студенту технического вуза не только успешно выполнить проект, но и глубоко понять каждый шаг, от выбора материала до обеспечения безопасности на производстве. В этом руководстве будут рассмотрены ключевые вопросы, такие как обоснование выбора каждого этапа, методики расчета припусков и режимов резания, принципы конструирования оснастки и контроля качества, а также требования производственной санитарии и техники безопасности. Мы будем опираться на актуальные стандарты и справочные данные, чтобы сформировать прочную основу для будущих инженерных свершений.
Общие сведения о валах: классификация, назначение и выбор материалов
Определение и классификация валов
В механике и машиностроении вал является одной из фундаментальных деталей, без которой невозможно представить функционирование подавляющего большинства машин и механизмов. Это, как правило, вращающаяся деталь, имеющая гладкую или ступенчатую цилиндрическую форму, основное назначение которой — поддержка установленных на ней компонентов (шкивов, зубчатых колес, звездочек, подшипников) и передача крутящего момента. Важно четко различать вал от оси: если вал испытывает изгиб и кручение (а иногда и осевое растяжение/сжатие), передавая мощность, то ось предназначена исключительно для опоры деталей и работает преимущественно на изгиб, не передавая крутящего момента.
Классификация валов многогранна и отражает их конструктивное и функциональное разнообразие:
- По геометрической форме:
- Прямые валы: Самый распространенный тип, бывают гладкими (одинакового диаметра по всей длине), ступенчатыми (с переходами между участками разного диаметра для посадки деталей) или шлицевыми (с продольными выступами для передачи крутящего момента и осевого перемещения).
- Кривошипные и коленчатые валы: Имеют изгибы и кривошипы, предназначенные для преобразования поступательного движения во вращательное или наоборот (например, в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах).
- Гибкие валы: Представляют собой многослойную проволочную конструкцию, способную передавать крутящий момент между несоосными или подвижными узлами (например, в ручном инструменте, спидометрах).
- Телескопические валы: Состоят из нескольких частей, входящих одна в другую, что позволяет изменять их длину.
- Карданные валы: Применяются для передачи крутящего момента между валами, оси которых пересекаются под углом или смещены.
- По виду поперечных сечений участков вала:
- Сплошные валы: Наиболее простые в изготовлении и наиболее жесткие, но имеют больший вес.
- Полые валы: Обладают меньшим весом при сопоставимой крутильной жесткости, что важно для высокоскоростных и ответственных применений. Могут иметь круглое или некруглое поперечное сечение.
- Валы со шпоночными канавками, шлицами, поперечными отверстиями: Эти элементы используются для соединения с другими деталями, обеспечения соосности и передачи крутящего момента.
- По назначению:
- Передаточные валы: Несут детали механических передач (шестерни, шкивы) и передают крутящий момент от одного элемента к другому.
- Коренные валы: Являются основными несущими элементами машин, на которых крепятся рабочие органы.
Основная масса валов изготавливается как цельные детали. Однако для достижения большой длины, упрощения транспортировки и монтажа, а также для компоновки различных функциональных участков, могут применяться составные валы, состоящие из нескольких частей, соединенных различными способами (например, фланцами).
Материалы для изготовления валов и их характеристики
Выбор материала для изготовления вала — это критически важный этап, определяющий его работоспособность, долговечность и, в конечном итоге, надежность всей машины. Этот выбор основывается на анализе внешних сил, которым деталь будет подвергаться в процессе эксплуатации (изгиб, кручение, вибрации, ударные нагрузки), а также требуемых механических, физических и технологических характеристик.
Для большинства валов, особенно тех, что работают при умеренных нагрузках, применяют термически обрабатываемые среднеуглеродистые стали. Одним из наиболее распространенных примеров является сталь 45. После нормализации она демонстрирует следующие механические свойства:
- Предел прочности (σВ): от 610 до 710 МПа
- Предел текучести (σ0,2): 355 МПа
- Предел выносливости (σ-1) при изгибе: 280 МПа
- Предел выносливости (τ-1) при кручении: 170 МПа
- Твердость по Бринеллю: 197–241 НВ
Для более нагруженных валов, требующих повышенной прочности и износостойкости, применяют легированные стали. Отличным примером является сталь 40Х. После закалки и отпуска она значительно превосходит сталь 45 по многим параметрам:
- Предел прочности (σВ): от 980 до 1080 МПа
- Предел текучести (σ0,2): 785 МПа
- Относительное удлинение (δ): 10 %
- Ударная вязкость (KCU): 49 Дж/см2
- Твердость по Роквеллу: 22–25 HRC
Сталь 40Х также известна высокой усталостной прочностью, что критически важно для валов, работающих в условиях переменных нагрузок. Это означает, что она способна выдерживать многократные циклические напряжения без разрушения, значительно продлевая срок службы.
Для особо высоконагруженных валов ответственных машин, где требуются исключительные механические свойства, используются более сложные легированные стали, такие как 40ХН, 40ХН2МА, 30ХГТ. Эти материалы часто подвергаются улучшению (закалка с высоким отпуском) или поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) для достижения максимальной твердости поверхности при сохранении вязкой сердцевины.
Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, предъявляют особые требования к твердости и износостойкости цапф. Для таких случаев применяют цементируемые стали (например, 20Х, 12ХН3А, 18ХГТ), которые после цементации и закалки образуют твердый поверхностный слой. Альтернативой являются азотируемые стали (например, 38Х2МЮА), подвергаемые процессу азотирования для формирования высокотвердого поверхностного слоя, устойчивого к износу и коррозии.
В некоторых случаях, для тяжелых коленчатых валов или валов с большими фланцами, экономически и технически оправдано применение высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Эти материалы обеспечивают хорошую литейность, демпфирующие свойства и достаточную прочность.
Общие требования, предъявляемые к материалам валов, включают:
- Высокая прочность: На растяжение, кручение, усталостную прочность (способность выдерживать многократные циклические нагрузки).
- Износостойкость: Для поверхностей, работающих на трение (цапфы, посадочные места под подшипники).
- Коррозионная стойкость: В агрессивных средах.
- Сохранение свойств при рабочих температурах: Способность материала сохранять заданные механические свойства в условиях нагрева, возникающего при работе.
- Технологичность: Хорошая обрабатываемость резанием, свариваемость (для составных валов), способность к термической обработке.
Таким образом, выбор материала для вала — это комплексное решение, которое должно быть тщательно обосновано с учетом всех эксплуатационных и производственных факторов. Недооценка любого из них может привести к серьезным проблемам в эксплуатации.
Разработка технологического процесса: от анализа до маршрута
Этапы проектирования технологического процесса
Проектирование технологического процесса изготовления вала — это многостадийный, итеративный процесс, начинающийся задолго до первой операции механической обработки, ведь каждый этап взаимосвязан с другими и оказывает существенное влияние на итоговое качество, себестоимость и производительность.
- Анализ технического задания (ТЗ) и конструкторской документации: Это отправная точка. Инженер-технолог тщательно изучает чертежи детали, спецификации, технические требования (допуски, посадки, шероховатость, требования к материалу, термической обработке), условия эксплуатации и объем производства. На этом этапе определяются функциональное назначение вала, его критические поверхности и основные нагрузки.
- Выбор материала: Основываясь на анализе ТЗ, технолог выбирает оптимальную марку материала (сталь, чугун) и его состояние поставки, учитывая требуемые механические свойства, технологичность и экономические факторы. Этот выбор был подробно рассмотрен в предыдущем разделе.
- Выбор метода получения заготовки: На этом этапе определяется, каким способом будет получена исходная заготовка — резка из проката, ковка, штамповка, литье или сварка. Выбор зависит от формы вала, его размеров, материала и, главное, от программы выпуска. Этот вопрос будет детально проработан далее.
- Разработка технологического маршрута: Формируется общая последовательность технологических операций. Маршрут включает в себя черновую, получистовую, чистовую и финишную обработку, термическую обработку, контроль. Здесь определяются основные переходы, последовательность обработки поверхностей и выбор оборудования.
- Расчет припусков и межоперационных размеров: Для каждой обрабатываемой поверхности и каждого технологического перехода рассчитываются необходимые припуски, исходя из погрешностей предыдущих операций и требований к качеству последующих. Это позволяет определить межоперационные размеры заготовки на каждом этапе.
- Выбор и расчет режимов резания: Для каждой операции и перехода определяются оптимальные параметры резания: глубина, подача, скорость. Расчет производится с учетом материала заготовки, инструмента, требуемой производительности и качества поверхности.
- Выбор и проектирование технологической оснастки: Подбираются или проектируются станочные приспособления, режущий и измерительный инструмент. Приспособления должны обеспечивать надежное базирование и закрепление заготовки, а также необходимую точность обработки.
- Термическая обработка: Если требуется, в технологический процесс включаются операции термической обработки (закалка, отпуск, цементация, азотирование, нормализация) для придания валу необходимых механических свойств. Место термической обработки в маршруте (до или после части механической обработки) имеет решающее значение.
- Финишная обработка: Для достижения высокой точности и низкой шероховатости поверхностей (например, посадочных мест под подшипники, уплотнения) используются операции шлифования, полирования, доводки, притирки.
- Контроль качества: На различных этапах процесса, а также после окончательной обработки, осуществляется контроль геометрических параметров, качества поверхности, механических свойств и отсутствия дефектов.
- Оформление технологической документации: Весь разработанный процесс оформляется в соответствии с требованиями ЕСТД (Единой системы технологической документации), включая маршрутные карты, операционные карты, карты эскизов, ведомости оснастки и оборудования.
Взаимосвязь этапов очевидна: выбор материала влияет на метод получения заготовки, который, в свою очередь, определяет величину припусков. Припуски влияют на режимы резания и выбор оборудования. Все это в совокупности формирует себестоимость и трудоемкость производства, а также влияет на достижение требуемой точности и качества готового вала.
Технические требования к валам: допуски и шероховатость
Технические требования к валам — это ключевые параметры, которые определяют их функциональность и надежность. Они включают в себя не только размеры и форму, но и допуски на эти размеры, а также параметры шероховатости поверхности.
Квалитеты точности (по ГОСТ 25346-2013):
Точность изготовления детали определяется квалитетом, который устанавливает величину допуска на размер. Чем меньше число квалитета, тем выше точность и меньше допуск. Для валов характерны следующие квалитеты:
- Квалитеты 5 и 6: Применяются для высокоточных, ответственных соединений, таких как шейки под подшипники качения (особенно прецизионных), шпиндели станков, шейки коленчатых валов, где требуется минимальный зазор или натяг. Эти квалитеты обеспечивают высочайшую точность сопряжения.
- Квалитеты 6–8: Характерны для большинства посадочных поверхностей, где требуются точные соединения с умеренными зазорами или натягами. Это могут быть посадки под зубчатые колеса, шкивы, втулки.
- Квалитеты 8–10: Используются для менее ответственных соединений или поверхностей, не являющихся посадочными, но требующих определенной точности. Например, свободные посадки или установочные поверхности.
- Квалитеты 13–17: Применяются для размеров, не входящих в соединения, или после предварительной (черновой) обработки, где точность не является критичной. Здесь допуски значительно больше, что упрощает и удешевляет обработку.
Параметры шероховатости поверхности (Ra по ГОСТ 2789-73):
Шероховатость поверхности определяет микрогеометрию поверхности, то есть совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине. Этот параметр критичен для износостойкости, герметичности соединений, сопротивления усталости и коррозии. Основным параметром является Ra — среднее арифметическое отклонение профиля.
- Высокоточная доводка: Ra до 0,01 мкм. Такие поверхности получают методами доводки, полирования, суперфиниширования и используются в прецизионных парах трения, оптических системах.
- Посадочные места под подшипники качения: Ra 0,8–1,6 мкм. Обеспечивает точную посадку, равномерное распределение нагрузки и минимизацию вибраций. Достигается шлифованием.
- Посадочные поверхности под манжетные уплотнения: Ra 0,08–0,32 мкм. Очень низкая шероховатость необходима для обеспечения герметичности и предотвращения быстрого износа уплотнений. Получается шлифованием, тонким шлифованием, полированием.
- Чистовая обработка (точение, фрезерование): Ra 0,4–3,2 мкм. Для большинства рабочих поверхностей, не требующих особо высокой гладкости, но влияющих на функциональность.
- Черновая обработка: Ra 12,5–50 мкм. После чернового точения, фрезерования, строгания, где основной задачей является удаление основного припуска.
Таким образом, технические требования к валам формируются на основе их функционального назначения и условий эксплуатации. Тщательное соблюдение квалитетов точности и параметров шероховатости на каждом этапе технологического процесса гарантирует достижение требуемых характеристик готовой детали. Это залог долговечности и надежности всей машины.
Методы получения заготовок и экономическое обоснование выбора
Обзор методов получения заготовок
Выбор метода получения заготовки для вала — это стратегическое решение в технологическом проектировании, которое оказывает прямое влияние на последующие этапы обработки, себестоимость и качество готового изделия. Существует несколько основных подходов, каждый из которых имеет свои преимущества и область применения.
- Резка сортового проката:
- Суть метода: Заготовка вырезается из стандартного круглого или квадратного проката (прутка) соответствующего диаметра.
- Применимость: Наиболее экономичный и простой метод для единичного и мелкосерийного производства, особенно для валов с небольшим числом ступеней и незначительной разницей в диаметрах. Применяется, когда масса удаляемой стружки не превышает 50–70% от массы заготовки.
- Преимущества: Минимальные затраты на оснастку, быстрый старт производства.
- Недостатки: Большие потери материала в стружку, низкий коэффициент использования материала, необходимость последующей механической обработки.
- Ковка (свободная и в подкладных кольцах):
- Суть метода: Металл деформируется пластически под действием ударных или прессовых нагрузок.
- Свободная ковка: Выполняется на молотах или прессах с использованием универсального инструмента (бойков, оправок).
- В подкладных кольцах: Позволяет получить заготовку более сложной формы с меньшими припусками.
- Применимость: Для крупных, сложных по форме валов в единичном и мелкосерийном производстве. Улучшает структуру металла, повышает механические свойства.
- Преимущества: Улучшение мелкозернистой структуры металла, повышение прочности, снижение расхода материала по сравнению с резкой проката для сложных форм.
- Недостатки: Высокая стоимость оборудования, низкая производительность, большие припуски.
- Объемная штамповка:
- Суть метода: Заготовка формируется в специальных штампах, которые придают ей форму, максимально приближенную к форме готовой детали.
- Применимость: Крупносерийное и массовое производство. Для валов различной сложности, особенно ступенчатых и коленчатых. Может выполняться на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) для небольших валов или на молотах/прессах.
- Преимущества: Высокий коэффициент использования материала, высокая производительность, стабильность размеров и формы, улучшение механических свойств.
- Недостатки: Высокая стоимость штамповой оснастки, длительная подготовка производства.
- Литье:
- Суть метода: Расплавленный металл заливается в литейную форму, где остывает и затвердевает.
- В песчаные формы: Для крупных валов сложной формы, часто из чугуна.
- В металлические формы (кокильное литье): Для более точных и качественных отливок.
- Применимость: Для валов из чугуна (например, высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для коленчатых валов), а также для некоторых стальных валов сложной конфигурации, где другие методы неэффективны или слишком дороги.
- Преимущества: Возможность получения заготовок очень сложной формы, экономия материала для определенных конфигураций.
- Недостатки: Низкие механические свойства по сравнению с ковкой и штамповкой (из-за литейной структуры), большие припуски, пористость, вероятность дефектов.
- Сварные заготовки:
- Суть метода: Отдельные части вала (например, цилиндрические участки, фланцы, ступицы) изготавливаются разными методами, а затем свариваются в единую конструкцию.
- Применимость: Для очень длинных, крупногабаритных или сложносоставных валов, где изготовление из цельной заготовки затруднительно или невозможно.
- Преимущества: Экономия материала, возможность использования разных материалов для разных частей вала, снижение массы.
- Недостатки: Необходимость тщательного контроля качества сварных швов, сложность термической обработки после сварки, возможное снижение прочности в зоне шва.
Выбор оптимального метода получения заготовки всегда является компромиссом между техническими требованиями, экономическими показателями и объемом производства.
Расчет коэффициента использования материала (КИМ)
Эффективность использования материала — один из ключевых показателей при выборе метода получения заготовки. Она характеризуется коэффициентом использования материала (КИМ), который отражает долю полезного материала в заготовке.
Коэффициент использования материала (KИМ) определяется как отношение массы готовой детали (Mдетали) к массе исходной заготовки (Mзаготовки):
KИМ = Mдетали / Mзаготовки
Чем выше значение КИМ, тем меньше отходов и, как правило, ниже себестоимость материала на одну деталь.
Приведем типичные значения КИМ для различных методов получения заготовок:
| Метод получения заготовки | Типичный диапазон КИМ | Среднее значение КИМ | Примечания |
|---|---|---|---|
| Литье | |||
| В песчаные формы | 0,60–0,75 | 0,68 | |
| В металлические формы | 0,70–0,85 | 0,78 | |
| Литье под давлением | 0,80–0,95 | 0,88 | Высокая точность, минимальные припуски |
| Порошковая металлургия (MIM) | 0,85–0,94 | 0,88 | Для небольших, сложных деталей |
| Обработка давлением | |||
| Свободная ковка | 0,40–0,60 | 0,50 | Большие припуски, универсальность |
| Объемная штамповка | 0,65–0,85 | 0,75 | Для серийного и массового производства |
| Механическая обработка проката | |||
| Резка круглого проката | 0,65–0,80 | 0,72 | Для валов простой формы, небольших серий |
| Резка трубного проката | 0,75–0,92 | 0,83 | Для полых валов |
| Резка профильного проката | 0,68–0,83 | 0,75 | |
| Резка калиброванного проката | 0,72–0,88 | 0,80 | Высокая точность исходного проката |
Расчет КИМ позволяет быстро оценить материалоемкость процесса и сравнить различные варианты заготовок на ранних стадиях проектирования. Чем сложнее форма детали и чем больше металла приходится удалять при механической обработке, тем большее значение приобретает выбор метода с высоким КИМ.
Экономическое обоснование себестоимости заготовки
Выбор метода получения заготовки не может быть основан только на КИМ; необходимо провести полноценное технико-экономическое обоснование, которое учитывает всю совокупность затрат. На стадии выбора заготовки, когда еще нет разработанного технологического процесса, используются упрощенные методики, исключающие большой объем справочно-нормативной информации.
Общая формула себестоимости изготовления детали (Сдет) представляет собой сумму себестоимости заготовки (Сзаг) и себестоимости механической обработки (Смех), уменьшенную на стоимость отходов (Сотх):
Сдет = Сзаг + Смех – Сотх
Где:
- Сзаг — себестоимость получения заготовки. Включает стоимость материала заготовки, а также затраты на ее производство (например, энергию для плавки и литья, оплату труда литейщиков или штамповщиков, амортизацию оборудования).
- Смех — себестоимость механической обработки. На стадии выбора заготовки ее можно оценить приближенно, как функцию от массы удаляемого материала или по трудоемкости операций черновой обработки.
- Сотх — стоимость отходов. Это выручка от реализации металлической стружки или облоя.
Расчет затрат на основные материалы (Сом) для годового выпуска:
Для годового выпуска деталей (Вгод) затраты на основные материалы можно рассчитать следующим образом:
Сом = qз ⋅ Вгод ⋅ См – qотх ⋅ Вгод ⋅ Сотх
Где:
- qз — вес одной заготовки, кг.
- Вгод — годовой выпуск деталей, шт.
- См — стоимость 1 кг материала заготовки (оптовая цена), руб./кг.
- qотх — вес отходов от одной заготовки (Mзаготовки — Mдетали), кг.
- Сотх — стоимость 1 кг отходов (цена лома), руб./кг.
Пример экономического обоснования:
Предположим, необходимо изготовить вал массой Mдетали = 5 кг. Годовой выпуск Вгод = 1000 шт. Стоимость материала См = 150 руб./кг. Стоимость отходов Сотх = 15 руб./кг.
Сравним два метода:
1. Резка из круглого проката:
- КИМ = 0,7 (среднее значение для проката).
- Масса заготовки Mзаготовки = Mдетали / КИМ = 5 кг / 0,7 ≈ 7,14 кг.
- Вес отходов qотх = 7,14 — 5 = 2,14 кг.
- Затраты на материалы в год Сом1 = 7,14 ⋅ 1000 ⋅ 150 – 2,14 ⋅ 1000 ⋅ 15 = 1 071 000 – 32 100 = 1 038 900 руб.
- Предположим, Смех1 для этого метода (из-за больших припусков) = 500 000 руб. в год.
- Общая годовая себестоимость Сдет1 ≈ 1 038 900 + 500 000 = 1 538 900 руб.
2. Объемная штамповка:
- КИМ = 0,8 (среднее значение для штамповки).
- Масса заготовки Mзаготовки = Mдетали / КИМ = 5 кг / 0,8 = 6,25 кг.
- Вес отходов qотх = 6,25 — 5 = 1,25 кг.
- Затраты на материалы в год Сом2 = 6,25 ⋅ 1000 ⋅ 150 – 1,25 ⋅ 1000 ⋅ 15 = 937 500 – 18 750 = 918 750 руб.
- Предположим, Смех2 для этого метода (из-за меньших припусков) = 350 000 руб. в год.
- Общая годовая себестоимость Сдет2 ≈ 918 750 + 350 000 = 1 268 750 руб.
- Однако, необходимо учесть затраты на изготовление штамповой оснастки. Если они велики и не окупаются годовым выпуском, то штамповка может быть невыгодной.
В данном упрощенном примере, объемная штамповка оказывается экономически более выгодной по прямым затратам на материал и механическую обработку. Окончательное решение принимается с учетом всех капитальных затрат на оборудование и оснастку, а также трудоемкости и производительности. Главный принцип — предпочтение отдается методу, обеспечивающему наименьшую технологическую себестоимость изготовления детали и более высокий коэффициент использования материала, особенно при больших программах выпуска.
Механическая обработка валов: припуски, межоперационные размеры и режимы резания
Расчет припусков и межоперационных размеров
В процессе изготовления вала последовательное удаление слоев материала с заготовки — припусков — является неотъемлемой частью технологии. Припуск на обработку — это слой металла, который удаляется с поверхности заготовки для компенсации погрешностей формы и размеров, а также дефектов, возникающих на предыдущих операциях (например, окалина, наклеп, неровности). Правильное назначение припусков критически важно: заниженные припуски могут привести к тому, что дефекты не будут полностью удалены, что вызовет брак или удорожание заготовок. Завышенные припуски, в свою очередь, ведут к перерасходу материала, увеличению трудоемкости и непроизводительным затратам времени и энергии.
Общий припуск на обработку поверхности складывается из суммы промежуточных припусков по отдельным технологическим переходам. Например, для получения готовой поверхности вала требуется несколько операций: черновая токарная обработка, получистовая, чистовая и, возможно, шлифование. Каждый из этих этапов требует удаления определенного слоя материала.
Межоперационные размеры — это размеры детали после каждой технологической операции. Они показывают, как изменяются геометрические параметры вала по мере его обработки, от заготовки до готовой детали. Расчет межоперационных размеров является обратной задачей к расчету припусков: зная конечный размер и припуск, можно определить размер заготовки для данной операции.
Существуют два основных метода определения припусков:
- Опытно-статистический метод: Основан на обобщении производственного опыта, использовании справочных таблиц и нормативов для типичных деталей и условий обработки. Он прост, но менее точен и не всегда учитывает специфику конкретного производства.
- Расчетно-аналитический метод: Наиболее точный и научно обоснованный метод, базирующийся на анализе производственных погрешностей, возникающих при изготовлении заготовок и их обработке. Этот метод учитывает все факторы, влияющие на минимально необходимый припуск.
При расчетно-аналитическом методе минимальный промежуточный припуск (Zi,min) на сторону для обрабатываемой поверхности (для поверхностей вращения — на диаметр) определяется по следующей формуле:
Zi,min = Rzi-1 + Ti-1 + (ΔΣi-1 + εi) ⋅ k1 + k
Где:
- Rzi-1 — высота неровностей профиля (шероховатость) на предшествующем (i-1)-м технологическом переходе. Это параметр, характеризующий микрогеометрию поверхности.
- Ti-1 — глубина дефектного слоя, образовавшегося на предшествующем переходе (например, окалина после горячей обработки, наклеп, изменение структуры металла).
- ΔΣi-1 — суммарное значение пространственных отклонений формы и расположения поверхности на предшествующем переходе (например, отклонение от круглости, конусность, биение, смещение оси).
- εi — погрешность установки заготовки на i-м переходе. Она включает погрешности базирования и закрепления.
- k1 и k — коэффициенты, зависящие от типа обрабатываемой поверхности и условий обработки.
- Для плоских поверхностей обычно принимают k = 1, k1 = 1.
- Для поверхностей вращения (валов) при расчете на диаметр принимают k = 0,5 (так как припуск Zi,min — это на сторону, а на диаметр будет 2Zi,min), k1 = 2.
Все эти значения (Rz, T, ΔΣ, ε) берутся из справочных данных, нормативов или результатов экспериментальных исследований для конкретного оборудования и условий производства. После расчета минимальные промежуточные припуски округляются в сторону увеличения до ближайшего стандартного значения (с точностью до микрометра).
Назначение припусков и расчет межоперационных размеров — это сложный, но необходимый процесс, который позволяет обеспечить высокое качество детали при минимальных затратах материала и машинного времени. Он является фундаментом для эффективного производства.
Выбор и расчет режимов резания
Режимы резания — это совокупность параметров, характеризующих процесс удаления материала при механической обработке. К основным режимам резания относятся глубина резания, подача и скорость резания. Их правильный выбор и расчет напрямую влияют на производительность, качество обрабатываемой поверхности, стойкость инструмента и, в конечном итоге, на себестоимость.
- Глубина резания (t или ap):
- Определение: Толщина слоя металла, удаляемого инструментом за один проход.
- Выбор: Для поверхностей вращения (валов) глубина резания на диаметр равна величине припуска (или его части). Для черновой обработки глубина резания выбирается максимально возможной, исходя из жесткости технологической системы (станок-приспособление-инструмент-деталь), мощности станка и прочности инструмента. Для чистовой обработки глубина резания значительно уменьшается для достижения требуемой точности и шероховатости.
- Примеры для токарной обработки стали 45 твердосплавными резцами:
- Для черновой обработки: глубина резания может составлять 2–5 мм и более, в зависимости от припуска и жесткости.
- Для чистовой обработки: глубина резания обычно не превышает 0,5 мм (часто 0,1–0,3 мм).
- Подача (S или fn):
- Определение: Величина перемещения инструмента или заготовки за один оборот (для токарной обработки) или за один ход (для строгания).
- Выбор: Влияет на производительность и качество поверхности (шероховатость). Большая подача увеличивает производительность, но ухудшает шероховатость и увеличивает нагрузку на инструмент. Выбирается исходя из требуемой шероховатости, прочности инструмента и мощности станка.
- Примеры для токарной обработки стали 45 твердосплавными резцами:
- Для черновой наружной обработки: 0,12–0,2 мм/об.
- Для чистовой наружной обработки: 0,08–0,15 мм/об.
- Пример продольного точения: 0,26 мм/об.
- Скорость резания (v):
- Определение: Скорость движения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
- Выбор: Определяет производительность и стойкость инструмента. Более высокая скорость резания увеличивает производительность, но сокращает срок службы инструмента. Выбор скорости зависит от обрабатываемого материала, материала инструмента, глубины резания, подачи и требуемой стойкости.
- Расчет: Для токарной обработки скорость резания (м/мин) рассчитывается по формуле:
v = (π ⋅ D ⋅ n) / 1000, где D — диаметр обрабатываемой поверхности (мм), n — частота вращения заготовки (об/мин). - Примеры для токарной обработки стали 45 твердосплавными резцами:
- Типичные значения: 120–160 м/мин.
- Может достигать 200 м/мин и выше для современных инструментов и станков.
- Пример продольного точения: 150 м/мин.
Выбор марки инструментального материала, типа и геометрии инструмента определяется:
- Физико-механическими свойствами обрабатываемого материала: Твердость, прочность, вязкость, абразивность. Для сталей 45 и 40Х часто используют твердосплавные пластины (например, Т15К6, ВК8) или современные керамические и сверхтвердые инструментальные материалы.
- Требованиями к шероховатости поверхности: Для черновой обработки подходят более грубые инструменты, для чистовой — с малой радиусной заточкой и полированными поверхностями.
- Жесткостью технологической системы: Влияет на выбор геометрии резца (угол при вершине, передний и задний углы).
- Типом обработки: Для точения, фрезерования, сверления, шлифования используются специализированные инструменты.
К основным видам режущего инструмента относятся:
- Токарные резцы: Проходные, отрезные, подрезные, расточные, резьбовые, профильные.
- Фрезы: Торцевые, концевые, дисковые, угловые, червячные (для зубчатых колес).
- Сверла, зенкеры, развертки: Для получения и обработки отверстий.
- Шлифовальные круги: Для абразивной обработки и достижения высокой точности и малой шероховатости.
Расчет режимов резания — это сложный процесс, который часто осуществляется с использованием справочников, специализированных программ или калькуляторов, предоставляемых производителями инструмента. Обоснованный выбор режимов обеспечивает оптимальное соотношение производительности, качества и стойкости инструмента, что является ключевым для эффективного производства.
Технологическая оснастка, базирование и обеспечение точности обработки
Принципы базирования валов
Основополагающим аспектом обеспечения точности обработки в машиностроении является правильное базирование заготовки. Базирование — это процесс придания заготовке определенного положения относительно выбранной системы координат в пространстве, что обеспечивает её устойчивость и однозначное расположение в технологической системе. Для деталей типа «вал» существуют свои специфические схемы базирования.
Основная и наиболее универсальная схема базирования валов — это установка между центрами с обоих торцов заготовки. Центровые отверстия, выполненные на торцах вала, служат базовыми поверхностями. Эта схема позволяет обрабатывать большинство наружных поверхностей вала, не меняя установочных баз, что минимизирует погрешности, связанные с переустановкой.
Принципы базирования, независимо от типа детали, опираются на фундаментальные правила:
- Принцип единства и постоянства баз: По возможности, технологические, конструкторские и измерительные базы должны совпадать. Если это невозможно, то должно быть четко определено, как базы связаны между собой. Постоянство баз означает, что одни и те же базовые поверхности должны использоваться на максимально возможном количестве операций для сохранения высокой точности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей.
- Правило шести точек базирования (или правило 3-2-1): Это ключевой принцип, который позволяет полностью лишить заготовку всех шести степеней свободы в пространстве. Любая заготовка в свободном состоянии имеет шесть степеней свободы: три поступательных перемещения вдоль осей X, Y, Z и три вращательных вокруг этих осей. Чтобы закрепить заготовку однозначно, необходимо ограничить каждую из этих степеней свободы.
- Три опорные точки (установочная база): Размещаются на одной плоской поверхности заготовки. Они лишают деталь одной поступательной степени свободы (вдоль оси Z, если эта плоскость перпендикулярна оси Z) и двух вращательных степеней свободы (вокруг осей X и Y). Эти точки задают плоскость, на которой лежит заготовка.
- Две опорные точки (направляющая база): Располагаются на второй плоской поверхности, перпендикулярной первой. Эти точки лишают деталь еще одной поступательной степени свободы (вдоль оси Y) и одной вращательной степени свободы (вокруг оси Z). Они задают прямую линию.
- Одна опорная точка (опорная база): Размещается на третьей плоской поверхности, перпендикулярной двум предыдущим. Эта точка лишает деталь последней поступательной степени свободы (вдоль оси X). Она фиксирует положение детали вдоль заданной прямой.
Таким образом, шесть точек обеспечивают однозначное и стабильное положение детали в пространстве, необходимое для точной обработки. Для валов, установленных в центрах, центровые отверстия обеспечивают фиксацию по оси (две точки) и по вращению (две точки).
Погрешности базирования и закрепления
Даже при идеальном выборе баз, в реальном производстве возникают погрешности установки заготовки, которые напрямую влияют на точность обработки. Эти погрешности складываются из нескольких составляющих:
- Погрешность базирования (εб): Возникает из-за несовпадения конструкторской (поверхность, от которой заданы размеры на чертеже), технологической (поверхность, по которой устанавливают заготовку в приспособлении) и измерительной (поверхность, от которой производятся измерения) баз. Также она может быть вызвана отклонениями в форме и расположении базовых поверхностей самой заготовки. Например, если центровое отверстие имеет эксцентриситет относительно оси заготовки, это приведет к погрешности базирования.
- Погрешность закрепления (εз): Обусловлена смещением или деформацией заготовки под действием сил зажима приспособления, а также неточностью изготовления элементов закрепления.
- Погрешность приспособления (εпр): Связана с неточностью изготовления самого приспособления, износом его элементов.
Общая погрешность установки заготовки (εуст) определяется как среднеквадратичное значение этих составляющих (в идеальном случае, при их независимости):
εуст = √( εб2 + εз2 + εпр2)
Для обеспечения высокой точности обработки необходимо минимизировать каждую из этих составляющих. Это достигается за счет:
- Тщательного выбора баз.
- Высокой точности изготовления базовых поверхностей.
- Точного конструирования и изготовления приспособлений.
- Правильного выбора сил зажима.
Конструирование станочных приспособлений
Станочные приспособления — это устройства, предназначенные для установки и закрепления заготовок на металлорежущих станках, а также для направления инструмента. Их конструирование является критическим этапом, обеспечивающим эффективность и точность обработки валов.
Принципы конструирования приспособлений:
- Выбор базовых поверхностей: Должны обеспечивать однозначное и стабильное положение заготовки, а также равномерное распределение сил зажима. Для валов это часто центровые отверстия, а также цилиндрические или торцевые поверхности.
- Обеспечение жесткости: Приспособление должно быть достаточно жестким, чтобы противостоять силам резания и зажима без недопустимых деформаций. Дополнительные опоры, такие как люнеты, применяются для повышения устойчивости и жесткости длинных и тонких валов, предотвращая их прогиб и вибрации в процессе обработки. Люнеты поддерживают вал в нескольких точках, снижая его изгибные деформации.
- Силовые расчеты: Необходимо рассчитать достаточную силу зажима, чтобы предотвратить смещение заготовки под действием сил резания, но при этом не вызвать ее деформации.
Примерная формула для расчета необходимой силы зажима (Q):
Q = (K ⋅ Pz) / (2 ⋅ f)
Где:
- K — коэффициент надежности закрепления. Обычно принимается в диапазоне от 1,5 до 2,0 для обеспечения запаса прочности и компенсации возможных колебаний сил резания и трения.
- Pz — основная компонента силы резания, направленная перпендикулярно оси зажима. Это та сила, которая стремится сместить заготовку.
- f — коэффициент трения между заготовкой и зажимными элементами приспособления. Зависит от материалов контактирующих поверхностей и их состояния (сухие, смазанные).
Расчеты исполнительных размеров элементов приспособления (кулачков, прихватов, упоров) и силы зажима являются обязательной частью конструкторской проработки. Цель — спроектировать приспособление, которое не только надежно фиксирует заготовку, но и минимизирует все виды погрешностей, обеспечивая тем самым высокое качество и точность обработки вала. Для ответственных операций приспособления должны быть выполнены с повышенной точностью, а их элементы подвергаться контролю и периодической калибровке.
Контроль геометрических параметров и измерительный инструмент
Выбор измерительного инструмента
Для обеспечения высокого качества и точности изготовления валов необходим систематический и прецизионный контроль их геометрических параметров. Выбор измерительного инструмента — это ответственный этап, требующий учета диапазона измеряемых размеров, условий контроля, а главное, требуемой точности измерений.
Критерии выбора измерительного инструмента:
- Требуемая точность: Инструмент должен обеспечивать точность, как минимум на порядок превышающую допуск на контролируемый размер. Например, если допуск на диаметр составляет 0,01 мм, то измерительный инструмент должен иметь погрешность не более 0,001–0,002 мм.
- Диапазон измерения: Инструмент должен соответствовать размеру измеряемой детали.
- Тип измеряемого параметра: Для линейных размеров, диаметров, глубин, биений, шероховатости требуются разные виды инструментов.
- Условия измерения: Наличие вибраций, температура, чистота помещения.
Приведем детализированные классы точности и допускаемые погрешности для распространенных измерительных инструментов, применяемых для контроля валов:
- Штангенциркули (ГОСТ 166-89):
- Универсальный инструмент для измерения наружных и внутренних размеров, а также глубин.
- 1-й класс точности: Погрешность измерения составляет до 0,05 мм (для штангенциркулей с нониусом 0,05 мм).
- 2-й класс точности: Погрешность измерения составляет до 0,1 мм (для штангенциркулей с нониусом 0,1 мм и верхним пределом измерения до 400 мм).
- Примечание: Для штангенциркулей с ценой деления 0,05 мм класс точности обычно не указывается, но их погрешность соответствует 1-му классу.
- Микрометры (ГОСТ 6507-90):
- Используются для более точных измерений наружных размеров, особенно диаметров валов.
- 1-й класс точности: Допускаемая погрешность составляет от 2 до 6 мкм (0,002–0,006 мм) в зависимости от диапазона измерений. Применяются для контроля ответственных размеров.
- 2-й класс точности: Допускаемая погрешность составляет от 4 до 10 мкм (0,004–0,010 мм) в зависимости от диапазона измерений.
- Важно: Для микрометров с ценой деления 0,01 мм класс точности определяет фактическую погрешность.
- Рычажные скобы и микрометрические головки:
- Применяются для контроля точных поверхностей с микронным допуском, особенно на больших сериях. Обеспечивают высокую точность и скорость измерения.
- Индикаторы часового типа (ИЧ):
- Используются для относительных измерений, контроля отклонений формы (биение, некруглость), расположения поверхностей. Цена деления обычно 0,01 мм.
- Измерение диаметра:
- Для менее точных диаметров используются штангенциркули.
- Для точных диаметров — микрометры, рычажные скобы.
- Для внутренних диаметров (если вал полый или имеет отверстия) — нутромеры, микрометрические нутромеры.
- Измерение радиального биения:
- Метод: Вал устанавливается на призмы (для коротких валов) или между центрами (для длинных). Индикатор часового типа (или электронный индикатор) приводится в контакт с контролируемой поверхностью вала. Вал медленно поворачивается на 360°, а показания индикатора фиксируются.
- Результат: Максимальная разница показаний индикатора за полный оборот соответствует величине радиального биения.
- Точность: С индикатором часового типа — до 0,01 мм. Для прецизионных валов используются электронные индикаторы (точность до 0,001 мм) или лазерные системы (точность до 0,0001 мм), которые позволяют получить более детальный профиль поверхности.
- Измерение осевого (торцевого) биения:
- Метод: Аналогично радиальному биению, но индикатор устанавливается перпендикулярно торцевой поверхности вала, которая должна быть ровной и чистой.
- Результат: Максимальная разница показаний индикатора за оборот — это осевое биение.
- Измерение цилиндричности:
- Отклонение от цилиндричности — это отклонение формы поверхности, при котором образующие не параллельны оси или не лежат на цилиндрической поверхности.
- Методы:
- С помощью кругломеров: Специальные приборы, которые позволяют измерять отклонения от круглости и цилиндричности с высокой точностью (до 0,1–0,5 мкм).
- Координатно-измерительные машины (КИМ): Высокоточные приборы, способные измерять сложные геометрические параметры с точностью 0,5–2 мкм, а современные оптические КИМ — до 0,2–1 мкм. Они строят 3D-модель детали и сравнивают ее с эталонной.
- Индикаторные устройства и специальные приспособления: Могут использоваться для измерения отклонений цилиндричности путем сравнения показаний индикатора в различных сечениях и положениях по длине вала.
- Контроль шероховатости поверхности:
- Метод: Осуществляется с помощью профилографов-профилометров, которые измеряют микронеровности поверхности.
- Требования: Качество поверхности вала, особенно посадочных мест под подшипники, требует соответствия определенной шероховатости (например, Ra 0,8–1,6 мкм). Достижение этих значений достигается шлифованием, полированием, доводкой.
- ГОСТ 3.1121-84 (ЕСТД. Общие требования к комплектности и оформлению комплектов документов на типовые и групповые технологические процессы): Определяет, какие документы должны входить в комплект технологической документации (например, маршрутные карты, операционные карты, ведомости) и как они должны быть оформлены для типовых или групповых процессов.
- ГОСТ 3.1129-93 (ЕСТД. Общие правила записи технологической информации в технологических документах на технологические процессы и операции): Устанавливает единые правила кодирования, обозначения и записи всей технологической информации в документах, обеспечивая их однозначное толкование.
- ГОСТ 3.1122-84 (ЕСТД. Формы и правила оформления документов специального назначения. Ведомости технологические): Регламентирует формы и порядок заполнения различных ведомостей, таких как ведомости применяемости, технологических маршрутов, оборудования, оснастки, инструмента. Эти ведомости играют важную роль в планировании и учете производства.
- ГОСТ 3.1404-86 (ЕСТД. Формы и правила оформления документов на технологические процессы и операции обработки резанием): Специально разработан для операций механической обработки. Он определяет структуру и содержание маршрутных и операционных карт для токарных, фрезерных, шлифовальных и других видов обработки.
- ГОСТ 3.1127-93 (ЕСТД. Общие правила выполнения текстовых технологических документов): Устанавливает требования к структуре, содержанию и оформлению текстовых документов, являющихся частью технологической документации, например, пояснительных записок, технических условий.
- Допуски и посадки:
- ГОСТ 25346-2013 (Единая система допусков и посадок. Основные положения, ряды допусков): Фундаментальный стандарт, который устанавливает основные определения, ряды допусков и посадок, используемых в машиностроении.
- ГОСТ 25347-2013 (Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки): Содержит конкретные поля допусков для различных квалитетов точности (от IT01 до IT18) и рекомендуемые посадки для валов и отверстий.
- ГОСТ 7713-62 (Допуски и посадки. Основные определения): Хотя и более старый, но также содержит важные определения, которые могут быть полезны для понимания основ.
Примеры применения допусков и посадок для валов:
- Для обеспечения скользящей посадки (например, вал свободно входит в отверстие, но без люфта) часто используются поля допусков вала по
h7(например, ø40h7). Это означает, что верхнее отклонение размера вала равно нулю, а нижнее — отрицательное. - Для более точной посадки с небольшим натягом (например, для посадки подшипников) может применяться поле допуска
k6. Например, ø40k6. - Выбор конкретного поля допуска вала (h, g, f, k, p, n и др.) зависит от типа требуемой посадки (скользящая, переходная, с натягом) и квалитета точности.
- Шероховатость поверхности:
- ГОСТ 2789-73 (Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики): Этот стандарт устанавливает шесть параметров шероховатости (Ra, Rz, Rmax и другие), но наиболее часто используемым является Ra — среднее арифметическое отклонение профиля.
Примеры значений Ra для различных видов обработки:
Вид обработки Типичный диапазон Ra, мкм Описание Черновая обработка 12,5–50 Точение, фрезерование, строгание с большими подачами. Основная цель — удаление припуска. Чистовая обработка 0,8–3,2 Точение, фрезерование, строгание с умеренными подачами и скоростями. Для большинства рабочих поверхностей. Шлифование 0,1–1,6 Абразивная обработка, для посадочных мест под подшипники, уплотнения, где требуется высокая точность и износостойкость. Тонкое шлифование, полирование, доводка До 0,01–0,08 Для поверхностей, работающих в условиях гидродинамического трения, высокоточных пар, уплотнений. - Металлической стружки: Острой, горячей, скручивающейся или рассыпающейся, которая может отлетать с высокой скоростью.
- Вращающихся элементов: Патронов, шпинделей, заготовок, вращающегося инструмента, приводных ремней, валов и шестерен, которые могут захватить одежду или части тела.
- Высокого напряжения: Электрического оборудования станков.
- Острых кромок инструмента и заготовок.
- Смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ): Могут вызывать раздражение кожи, глаз, а также делать пол скользким.
- Вибрации и шума: Длительное воздействие которых негативно влияет на здоровье.
- Квалификация персонала: К самостоятельной работе на металлорежущих станках допускается только обученный персонал, прошедший обязательный медицинский осмотр, вводный и первичный инструктажи по охране труда на рабочем месте, а также по пожарной безопасности.
- Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Рабочий персонал обязан использовать спецодежду, которая должна быть застегнута, исключая свободно болтающиеся части, способные быть захваченными вращающимися механизмами. Обязательны защитные очки для защиты глаз от стружки и СОЖ, а также ботинки с защитным подноском.
- Ограждения и защитные устройства: Все приводные и передаточные механизмы станков (шкивы, ремни, цепи, шестерни, вращающиеся винты, валы) должны быть полностью размещены в корпусе станка или надежно ограждены предохранительными кожухами и устройствами.
- Рабочее место: Должно быть чистым, сухим и свободным от посторонних предметов. Пол не должен быть скользким (облит маслом, эмульсией). Стружку следует удалять только специальными крючками и щетками, никогда не руками.
- Освещение: Рабочее место должно быть адекватно освещено, чтобы избежать напряжения глаз и обеспечить хорошую видимость.
- Установка и снятие тяжелых деталей: Тяжелые патроны, планшайбы, а также тяжелые детали должны устанавливаться и сниматься со станка только с помощью подъемных устройств (тельферов, кран-балок) при строгом соблюдении правил строповки.
- Защитные экраны и кожухи: Зона обработки заготовок на токарных и шлифовальных станках должна быть оборудована прозрачным защитным экраном или кожухом. В идеале, эти защитные устройства должны быть сблокированы с пуском станка, предотвращая его работу при открытом ограждении.
- Применение люнетов: При точении длинных валов существует высокий риск их прогиба и вибрации, что может привести к браку, поломке инструмента или даже выбросу заготовки. Поэтому:
- При длине вала более 12 диаметров, а также при скоростном или силовом точении валов длиной более 8 диаметров необходимо обязательно применять дополнительные опоры (люнеты).
- Скоростное точение характеризуется высокими скоростями резания, что может усиливать вибрации.
- Силовое точение включает большие глубины резания и подачи, что создает значительные нагрузки на заготовку. В обоих случаях люнеты критически важны для стабилизации.
- Состояние оснастки: Категорически запрещается работать со сработанными или забитыми центрами, а также пользоваться патронами с изношенными кулачками. Это может привести к ненадежному закреплению заготовки, её смещению или выбрасыванию.
- Отрезка деталей: Не допускается придерживать отрезаемый конец тяжелых частей детали руками. Это чревато травмами от падающих или отлетающих фрагментов.
- Действия в аварийных ситуациях: В случае поломки станка, отказа в работе пульта управления, появления необычного шума, вибрации или возникновения любой другой аварийной ситуации работник должен немедленно отключить станок (кнопкой «СТОП» или общим выключателем) и сообщить администрации или мастеру.
- Производственная санитария:
- Вентиляция: Рабочие места должны быть оборудованы местной вытяжной вентиляцией для удаления пыли, паров СОЖ и аэрозолей.
- Отопление и температура: Поддержание комфортной температуры в помещении.
- Шум: Оборудование должно соответствовать санитарным нормам по уровню шума; при необходимости используются средства индивидуальной защиты слуха.
- Лахтин, Ю. М., Леонтьева, В. П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980. 493 с.
- 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.
- Шакирова, М. А., Вельдяксова, О. Г. Методическое пособие по выполнению курсового проекта дисциплины «Технология производства машин». Метод. пособие для машиностроит. спец. вузов. 2009. 146 с.
- Справочник технолога-машиностроителя. Том 2. Под ред. Малова А. Н., Гриднева В. Н., Досчатова В. В. М.: Машиностроение, 1972. 568 с.
- Радкевич, Я. М., Тимирязев, В. А., Схиртладзе, А. Г., Островский, М. С. Расчет припусков и межпереходных размеров в машиностроении: Учеб. пособие для машиностроит. спец. вузов. М.: Высш. шк., 2004. 272 с.
- Нефедов, Н. А., Осипов, К. А. Сборник задач и примеров по резанию металлов и режущему инструменту: Учеб. пособие для техникумов по предмету «Основы учения о резании металлов и режущий инструмент». 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.
- Справочник технолога-машиностроителя. Том 1. Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1972. 694 с.
- Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания. М.: Экономика, 1990. 473 с.
- ГОСТ 3.1105-84. ЕСТД. Формы и правила оформления документов общего вида.
- ГОСТ 3.1118-82. ЕСТД. Формы и правила оформления маршрутных карт.
- ГОСТ 3.1121-84. Единая система технологической документации (ЕСТД). Общие требования к комплектности и оформлению комплектов документов на типовые и групповые технологические процессы (операции).
- ГОСТ 3.1129-93. Единая система технологической документации (ЕСТД). Общие правила записи технологической информации в технологических документах на технологические процессы и операции (с Поправкой).
- ГОСТ 3.1507-84. Единая система технологической документации (ЕСТД). Правила оформления документов на испытания.
- ГОСТ 3.1119-83*. ЕСТД. Общие требования к комплектности и оформлению комплектов документов на единичные технологические процессы.
- ГОСТ 25347-82*. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки.
- ГОСТ 7713-62. Допуски и посадки. Основные определения.
- ГОСТ 25346-89. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основные отклонения.
- ГОСТ 3.1122-84. ЕСТД. Формы и правила оформления документов специального назначения. Ведомости технологические.
- ГОСТ 3.1404-86. Единая система технологической документации (ЕСТД). Формы и правила оформления документов на технологические процессы и операции обработки резанием.
- ГОСТ 3.1127-93. ЕСТД. Общие правила выполнения текстовых технологических документов.
- Правила техники безопасности и производственной санитарии при нанесении металлопокрытий: утв. Президиумом ЦК профсоюза рабочих судостроительной промышленности 24.11.1972, Минсудпромом СССР 01.12.1972. Доступ из СПС «КонсультантПлюс».
- Правила техники безопасности и производственной санитарии при холодной обработке металлов: утв. Президиумом ЦК профсоюзов рабочих машиностроения 12.10.1965. Доступ из СПС «КонсультантПлюс».
- Раздел 10. Валы и оси. Детали машин. URL: https://www.detalmach.ru/page/10_valy_i_osi.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Единая система технологической документации. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9_%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8 (дата обращения: 28.10.2025).
- Вал (в машиностроении). URL: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/108/304.htm (дата обращения: 28.10.2025).
- Вал: конструктивные особенности, классификация и производство. SoproMats. URL: https://sopromats.ru/val-konstruktivnye-osobennosti-klassifikaciya-i-proizvodstvo/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Основные схемы базирования валов. URL: https://www.studmed.ru/view/osnovnye-shemy-bazirovaniya-valov_e6f0f0891d4.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Материалы валов. URL: https://www.studmed.ru/view/materialy-valov_190740924ea.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Разновидности валов, применяемых в промышленной сфере. Zavod-spetsstanmash.ru. URL: https://zavod-spetsstanmash.ru/articles/raznovidnosti-valov-primenyaemyh-v-promyshlennoy-sfere (дата обращения: 28.10.2025).
- Важность выбора материала для валов и его влияние на характеристики готовых изделий. Zavod-spetsstanmash.ru. URL: https://zavod-spetsstanmash.ru/articles/vazhnost-vybora-materiala-dlya-valov (дата обращения: 28.10.2025).
- Как правильно выбрать материал для вала. Иннер Инжиниринг. URL: https://inner-engineering.ru/blog/kak-vybrat-material-dlya-vala/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Классификация валов и осей, сферы их применения. Siencipals.ru. URL: https://siencipals.ru/articles/klassifikaciya-valov-i-osej-sfery-ih-primeneniya (дата обращения: 28.10.2025).
- Валы и оси. Классификация. Материалы и термообработка. Rimoyt.com. URL: https://rimoyt.com/blog/valy-i-osi-klassifikatsiya-materialy-i-termoobrabotka (дата обращения: 28.10.2025).
- Конспект по технологии машиностроения на тему «Валы, назначение, классификация»: методические материалы на Инфоурок. URL: https://infourok.ru/konspekt-po-tehnologii-mashinostroeniya-na-temu-vali-naznachenie-klassifikaciya-5249626.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Какой материал лучше всего подходит для вала? Знание. URL: https://www.zhishivip.ru/kakoy-material-luchshe-vsego-podhodit-dlya-vala.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Анализ материалов: как выбрать лучшие сплавы для изготовления валов. АгроТехМаш. URL: https://agrotechmash.com/blog/analiz-materialov-kak-vybrat-luchshie-splavy-dlya-izgotovleniya-valov (дата обращения: 28.10.2025).
- Технологический процесс изготовления валов. Компрессорные технологии. URL: https://kompressor-tehnologii.ru/tehnologicheskij-process-izgotovleniya-valov/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Основные схемы базирования. URL: https://www.studmed.ru/view/osnovnye-shemy-bazirovaniya_4a317e089d7.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Назначение операционных припусков и расчет межоперационных размеров. URL: https://www.studmed.ru/view/10-naznachenie-operacionnyh-pripuskov-i-raschet-mezoperacionnyh-razmerov_f486a67f102.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Таблица допусков и посадок: полный справочник по ГОСТ для валов и отверстий. Kpms.ru. URL: https://kpms.ru/spravochnik/tablica-dopuskov-i-posadok-po-gost-dlya-valov-i-otverstij (дата обращения: 28.10.2025).
- Важные этапы процесса изготовления валов на заказ. Zavod-spetsstanmash.ru. URL: https://zavod-spetsstanmash.ru/articles/vazhnye-etapy-processa-izgotovleniya-valov-na-zakaz (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет припусков на обработку деталей. Elibrary.ru. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30560737 (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет припусков на механичес.docx. Elibrary.ru. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_43547285_16159516.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Допуски и посадки. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/10292791/page:4/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Оптимизация выбора метода изготовления заготовки. Основы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении. Studref.com. URL: https://studref.com/348275/tehnika/optimizatsiya_vybora_metoda_izgotovleniya_zagotovki (дата обращения: 28.10.2025).
- Таблица допусков и посадок валов по h7, h8, h9, h10, h11. Ktt-opt.ru. URL: https://ktt-opt.ru/dopuski-i-posadki-valov-po-h7-h8-h9-h10-h11 (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет межоперационных размеров заготовок при обработке наружных цилиндрических поверхностей. Studmed.ru. URL: https://www.studmed.ru/view/raschet-mezoperacionnyh-razmerov-zagotovok-pri-obrabotke-naruzhnyh-cilindricheskih-poverhnostey_23f2f81d8c1.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Типовые схемы базирования деталей и узлов машин. Основы технологии машиностроения. Bstudy.net. URL: https://bstudy.net/603212/tehnika/tipovye_shemy_bazirovaniya_detaley_uzlov_mashin (дата обращения: 28.10.2025).
- Заготовки для валов, Технология обработки валов. Технология машиностроения: технология производства деталей и узлов горных машин. Bstudy.net. URL: https://bstudy.net/603212/tehnika/zagotovki_valov_tehnologiya_obrabotki_valov (дата обращения: 28.10.2025).
- Припуски на механическую обработку 5.1. Наименьший припуск на механи. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/16281861/page:14/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Трусов, А. Н. Расчетно-аналитический метод определения припусков на механическую обработку. Elibrary.ru. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_21128362_68812683.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Выбор режущего инструмента для каждой операции изготовления вала-шестерни. Анализ деятельности ПАО «Северсталь». Studwood.net. URL: https://studwood.net/1381275/tehnika/vybor_rezhuschego_instrumenta_kazhdoy_operatsii_izgotovleniya_vala_shesterni (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет режимов резания на токарных станках: формулы, параметры, рекомендации. Abamet.ru. URL: https://abamet.ru/press/articles/raschet-rezhimov-rezaniya-na-tokarnykh-stankakh-formuly-parametry-rekomendatsii (дата обращения: 28.10.2025).
- Основы токарной обработки: выбор и расчет режимов резания. СПК «Регион». URL: https://spkregion.ru/osnovy-tokarnoj-obrabotki-vybor-i-raschet-rezhimov-rezaniya (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет режимов резания при точении. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/17235075/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Размеры. Допуски и посадки. Шероховатость. Studmed.ru. URL: https://www.studmed.ru/view/144-razmery-dopuski-i-posadki-sherohovatost_ae3e1205391.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Оформление технологической документации. БНТУ. URL: https://www.bntu.by/files/uchebnyj-process/kafedry/tis/metodichki/3_2_oformlenie_tehnologicheskoy_dokumentacii.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Правила оформления документов на технологические процессы ремонта. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/5742191/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Шероховатость поверхностей. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/16281861/page:17/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Проектирование станочного приспособления для сверления детали Вал. В Масштабе. URL: https://vmasshtabe.ru/tehnologiya-mashinostroeniya/proektirovanie-stanochnogo-prisposobleniya-dlya-sverleniya-detali-val.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Станочные приспособления: классификация, проектирование, расчет. Металлообработка-2026. URL: https://metalobr.expocentr.ru/ru/articles/stanochnye-prisposobleniya-klassifikatsiya-proektirovanie-raschet.php (дата обращения: 28.10.2025).
- Технологическое оборудование и оснастка в приборостроении. БНТУ. URL: https://www.bntu.by/files/uchebnyj-process/kafedry/tis/metodichki/3_1_tehnologicheskoe_oborudovanie_i_osnastka_v_priborostroenii.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Лабораторная работа № 4 проектирование технологического процесса обработки деталей типа «вал». Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/10292791/page:4/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Разработка технологии изготовления детали «Вал быстроходный». Cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-tehnologii-izgotovleniya-detali-val-bystrohodnyy (дата обращения: 28.10.2025).
- Калькулятор режимов резания Hoffmann Group. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=F0f-g6FzUaY (дата обращения: 28.10.2025).
- Как выбрать контрольно измерительные инструменты для измерения детали. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=6fGasPFOeiY (дата обращения: 28.10.2025).
- Контроль валов. Измерение вала с микронным допуском. Размеры шеек вала. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=R3f_Xj2Xj9o (дата обращения: 28.10.2025).
- Типовой технологический процесс изготовления детали «Вал». EasySchool. URL: https://easyschool.ru/knowledge/tekhnologicheskiy-protsess-izgotovleniya-detali-val (дата обращения: 28.10.2025).
- Симонова, Ю. Э. Методы обеспечения точности: методические указания к выполнению практических работ для студентов направления 15.03.01 «Машиностроение». Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/17696245/ (дата обращения: 28.10.2025).
- CNCMagazine интернет-магазин − Купить металлорежущий инструмент и оснастку для токарных и фрезерных станков по металлу, с ЧПУ. URL: https://cncmagazine.ru/catalog (дата обращения: 28.10.2025).
- Техническое обеспечение качества и надежности технологических систем. Cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnicheskoe-obespechenie-kachestva-i-nadezhnosti-tehnologicheskih-siste (дата обращения: 28.10.2025).
- Таблица точности базирования в приспособлениях: погрешности установки ГОСТ. Kpms.ru. URL: https://kpms.ru/spravochnik/tablica-tochnosti-bazirovaniya-v-prisposobleniyah (дата обращения: 28.10.2025).
- Купить штангенциркуль ручной измерительный инструмент по выгодной цене – интернет-магазин ВсеИнструменты.ру. URL: https://www.vseinstrumenti.ru/ruchnoy-instrument/izmeritelnyy-instrument/shtangentsirkuli/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Axial cutting tool for metal Types and purpose. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=Q40a2VnE2oI (дата обращения: 28.10.2025).
- LXXVII. Требования охраны труда при эксплуатации токарных станков. Consultant.ru. URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_435429/c01736b008d5dd5781a95a02aa36319803d21396/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Техника безопасности при работе на токарном станке по металлу. Promzn.ru. URL: https://promzn.ru/tehnika-bezopasnosti/rabota-na-tokarnom-stanke-po-metallu.html (дата обращения: 28.10.2025).
- Техника безопасности при токарных работах. Stanok.guru. URL: https://stanok.guru/tokarnye/tehnika-bezopasnosti-pri-tokarnyh-rabotah (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет и выбор оптимального профиля заготовки из круглого сортового проката. Elibrary.ru. URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_28945693_45230919.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Инструкция по охране труда при работе на токарно-винторезных станках. Stanokmir.ru. URL: https://stanokmir.ru/articles/instrukciya-po-ohrane-truda-pri-rabote-na-tokarno-vintoreznyh-stankah/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчёт себестоимости получения заготовки методом штамповки. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/7279313/page:14/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Выбор и проектирование заготовок. DiSpace. URL: https://dspace.bstu.by/bitstream/123456789/22934/1/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F%204.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Выбор заготовки по критерию минимальной себестоимости изготовления детали. Военмех. URL: https://voenmeh.ru/upload/iblock/c5f/metodicheskie_ukazaniya_vibor_zagotovki_po_kriteriyu_minimalnoy_sebestoimosti_izgotovleniya_detali.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
- Выбор заготовки и технико-экономическое обоснование метода ее получения. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/10292791/page:17/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Выбор заготовки, технико-экономическое обоснование. Механическая обработка детали «Вал». Studwood.net. URL: https://studwood.net/1066030/tehnika/vybor_zagotovki_tehniko_ekonomicheskoe_obosnovanie (дата обращения: 28.10.2025).
- Проектирование и производство заготовок. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/17235075/page:16/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Затраты и себестоимость в машиностроении. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/6682705/page:4/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет стоимости получения заготовки различными методами. Cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-stoimosti-polucheniya-zagotovki-razlichnymi-metodami (дата обращения: 28.10.2025).
- Экономическое обоснование выбора заготовки. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/10292791/page:22/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Требования техники безопасности на основных этапах механической обр. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/10292791/page:5/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Правила по охране труда при обработке металлов І. Общие положения. Studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/17696245/page:4/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Меры безопасности при обработке металла и древесины. Kp.ru. URL: https://www.kp.ru/daily/27376/4566418/ (дата обращения: 28.10.2025).
Методы измерения параметров валов
Контроль валов включает измерение не только линейных размеров, но и отклонений формы и расположения поверхностей.
Таким образом, выбор и применение адекватного измерительного инструмента и методов контроля являются неотъемлемой частью технологического процесса изготовления валов, обеспечивая соответствие детали всем предъявляемым к ней требованиям.
Нормативно-техническая документация (ГОСТ, ЕСТД) в технологическом проектировании
Единая система технологической документации (ЕСТД)
Для обеспечения единообразия, стандартизации и эффективности в машиностроении разработана Единая система технологической документации (ЕСТД). Это комплекс межгосударственных стандартов, который регламентирует правила по разработке, комплектации, оформлению, обращению и хранению технологической документации. Цель ЕСТД — создать единую информационную базу, унифицировать формы документов и снизить трудоемкость инженерно-технических работ, обеспечивая прозрачность и воспроизводимость технологических процессов.
Ключевые ГОСТы в рамках ЕСТД, особенно актуальные для курсового проекта по изготовлению вала:
Строгое следование требованиям ЕСТД позволяет создать качественную, понятную и унифицированную технологическую документацию, которая является основой для производства.
Нормирование допусков, посадок и шероховатости по ГОСТам
Точность и качество поверхности вала являются ключевыми характеристиками, которые нормируются строгими стандартами.
Правильное применение этих ГОСТов является обязательным условием для создания технологического процесса, который позволит изготовить вал, полностью соответствующий конструкторским требованиям и обеспечивающий надежную работу изделия в эксплуатации.
Производственная санитария и техника безопасности при изготовлении валов
Источники опасности и общие меры предосторожности
Работа на машиностроительном предприятии, особенно на участках механической обработки, сопряжена с множеством потенциальных опасностей. Оператор, изготавливающий валы на токарных, фрезерных или шлифовальных станках, подвергается повышенному риску из-за:
Для минимизации этих рисков необходимо строго соблюдать общие меры предосторожности:
Специфические требования безопасности при обработке валов
Помимо общих правил, при изготовлении валов существуют специфические требования, обусловленные особенностями детали и процесса обработки:
Соблюдение этих правил и норм является не просто формальностью, а жизненно важной необходимостью для сохранения здоровья и безопасности работников, а также для обеспечения бесперебойной работы производства.
Заключение
Разработка технологического процесса изготовления вала — это сложная, многогранная задача, требующая глубоких знаний в области технологии машиностроения, материаловедения, расчетов и стандартов. Данное руководство, ориентированное на студента технического вуза, стремилось предоставить не просто общую схему, а детализированное погружение в каждый аспект этого процесса.
Мы определили валы как ключевые элементы машин, рассмотрели их классификацию и обосновали выбор материалов, предоставив конкретные числовые характеристики сталей 45 и 40Х. Детально проработали этапы проектирования технологического процесса, акцентируя внимание на критически важных технических требованиях к квалитетам точности (ГОСТ 25346-2013) и параметрам шероховатости (ГОСТ 2789-73) с числовыми примерами для различных видов обработки.
Особое внимание было уделено методам получения заготовок, где помимо обзора технологий (резка проката, ковка, штамповка, литье), мы представили подробную методику экономического обоснования, включающую расчет коэффициента использования материала (КИМ) с типичными значениями и формулы для определения себестоимости заготовки.
В блоке по механической обработке были исчерпывающе изложены расчетно-аналитические методы определения припусков и межоперационных размеров, с расшифровкой формулы Zi,min = Rzi-1 + Ti-1 + (ΔΣi-1 + εi) ⋅ k1 + k. Также были приведены конкретные числовые примеры выбора и расчета режимов резания (глубина, подача, скорость) для токарной обработки стали 45.
Раздел по технологической оснастке подробно раскрыл принципы базирования валов, акцентировав внимание на правиле шести точек, а также методиках расчета погрешностей базирования и необходимой силы зажима Q = (K ⋅ Pz) / (2 ⋅ f). Была подчеркнута роль люнетов в обеспечении жесткости технологической системы.
Контроль качества и измерительный инструмент был рассмотрен с позиций выбора оптимальных средств измерения, включая детализированные классы точности микрометров и штангенциркулей, а также методы контроля цилиндричности и биения с указанием точности.
Наконец, мы систематизировали применение нормативно-технической документации (ЕСТД и ГОСТы), приведя конкретные ссылки и примеры их использования в технологическом проектировании и нормировании точностных параметров (например, посадки ø40h7, k6). Завершающим, но не менее важным аспектом, стало подробное описание мер производственной санитарии и техники безопасности, включая специфические требования при обработке длинных валов и высокоскоростных режимах.
Глубокая проработка каждого из этих аспектов, подкрепленная инженерными расчетами и актуальными стандартами, формирует прочную основу для успешного выполнения курсового проекта. Это не просто академическое упражнение, а практическая подготовка будущего инженера, способного проектировать эффективные, безопасные и экономически обоснованные технологические процессы. Перспективы дальнейшего совершенствования технологических процессов изготовления валов лежат в области внедрения цифровых технологий, автоматизации, роботизации и применения новых материалов и методов обработки, что требует постоянного обновления знаний и навыков. Разве не это является ключом к будущему инженерного дела?