Технология изготовления валов

Конструктивные и технологические особенности валов.

Валы машин относят к подклассам длинных деталей, характеризующихся цилиндрической формой, и длинной значительно превышающей основной диаметр (длина больше 2-х диаметров). Валы бывают: гладкие (бесступенчатые), ступенчатые, с фланцами и буртами, сплошные и полые, валы-шестерни и комбинированные валы. По форме геометрической оси валы бывают: прямыми, коленчатыми, кривошипными и кулачковыми или эксцентриковыми. Шейки валов могут иметь шпоночные пазы или резьбу. При переходе от одной ступени к другой, в ступенчатых валах делают канавки или галтели. Торцы вала целесообразно изготавливать с фасками. Показателями, характеризующими технологичность конструкции валов, являются высокая жесткость, рациональность выбора материала, простота геометрических форм, возможность выбора оптимальных баз для обработки, правильное нанесение размеров, обоснованные требования по точности и качеству поверхностного слоя.

Жесткость — важнейший показатель технологичности конструкции вала. Валы, длина которых не превышает двенадцатикратной величины D, считают жесткими, при длине более 12-ти диаметров валы относят к нежестким деталям и обработка их производится с люнетом.

Материал валов. Заготовки. Валы обычно изготавливают из конструкционных углеродистых и легированных сталей, удовлетворяющих требованиям высокой прочности, малой чувствительности в концентрации напряжений, хорошей обрабатываемостью при выполнении заготовок, механической и термической обработке. Валы гусеничных и колёсных машин изготавливают из сталей 20, 35, 45, 20Х, 35Х, 40Х и др. Шлицевые валы с целью повышения долговечности выполняют из высоколегированных сталей 18ХГТ, 20ХН3А с последующей термической обработкой до твёрдости 56−62 HRC. Для повышения обрабатываемости исходные заготовки валов подвергают нормализации или термическую обработку проводят после черновой обработки. Коленчатые и распределительные валы изготавливают из специальных высокопрочных чугунов с глобулярным графитом, из ковких перлитных чугунов.

Трудоёмкость, себестоимость и производительность процесса изготовления валов и их качество во многом зависит от вида заготовки. Заготовки из горячекатаного или холоднотянутого проката применяют для изготовления гладких валов, ступенчатых валов с небольшим числом ступеней и малыми перепадами диаметров (до 5 мм) или ступенчатых валов диаметром до 125 мм и длинной до 320 мм в единичном и мелкосерийном производстве. Заготовки валов сложной конфигурации с большой разницей между диаметрами ступеней в единичном производстве получают свободной ковкой на ковочных гидравлических прессах. В серийном и массовом производстве — штамповкой на прессах, молотах, горизонтально-ковочных машинах, ротационным обжатием на специальных машинах, пеперечно-винтовой прокаткой на многовалковых станах. Заготовки коленчатых, распределительных и некоторых других специальных валов получают отливкой в оболочковые и песчаные формы. Метод получения заготовки вала выбирают, сравнивая суммарные трудоёмкости и себестоимости процессов изготовления заготовок и черновой механической обработки по сопоставимым вариантам. Геометрическая форма детали часто определяет возможность применения соответствующих методов обработки. Гладкий вал постоянного сечения наиболее технологичен: при массовом производстве обработку таких деталей выполняют наиболее производительным методом — шлифованием с продольной подачей на бесцентрово-шлифовальных станках. Валы с небольшими перепадами возрастающих диаметров ступеней, длины которых равны или кратны, удобно обрабатывать на многорезцовых станках.

Эффективность механической обработки зависит:

• — от степени точности заготовки: кривизна заготовок валов достигает 5 мм на 1 мм длины; уменьшая кривизну (введение операции правка, применение специальных мер) обработку можно выполнить за меньшее число проходов, более экономично использовать материал. Однако, остаточные напряжения в детали возникающие при правке, могут привести к короблению детали при эксплуатации, поэтому при изготовлении ответственных деталей или не применяют операцию правки, или после операции правки производят термическую обработку.
• — от выбранных способов установки деталей; наибольшая точность обеспечивается при обработке ответственных поверхностей с одного установа и использования в качестве баз точно обработанных поверхностей. Наиболее часто валы устанавливают в центрах, используя при этом центровые отверстия, фаски или обратные центры. При выполнении ряда операций в качестве баз используют наружные цилиндрические поверхности и торцы вала или торцовые поверхности ступеней вала.

Конфигурации, размеров и жесткости деталей, а также от их заданного выпуска.

Технология изготовления гладких валов 3-го и 4-го класса точности (из калиброванной стали):

1. Отрезка заготовки по длине, зацентровка и снятие фасок по концам на многошпиндельных или одношпиндельных станках в зависимости от программы; 2. Предварительная обработка заготовок на бесцентрово-шлифовальном или токарном станках; 3. Фрезерование закрытых шпоночных пазов на шпоночно-фрезерных станках: открытых шпоночных пазов на горизонтально-фрезерных станках с применением специальных устройств; 4. Сверление поперечных отверстий, если они предусмотрены конструкцией, на многошпиндельных или одношпиндельных сверлильных станках в зависимости от числа отверстий и заданной программы; 5. Термическая или химико-термическая обработка; 6. Чистовое шлифование после термообработки на шлифовальных станках.

Типовой технологический маршрут изготовления валов с центральными отверстиями (фасками):

1. Получение штучной заготовки путем резки прутка (дисковыми, ленточными пилами; отрезными резцами, абразивными кругами, рубкой), штамповкой, литьем; 2. Термическая обработка — нормализация, проводимая для улучшения обрабатываемости и стабилизации механических свойств заготовок; 3. Обработка технологических баз: фрезерование или подрезка торцов и сверление центровых отверстий; одновременно можно обрабатывать крайние шейки и центральное отверстие; 4. Черновая токарная обработка шеек, торцов и, проточка канавок; 5. Термическая обработка — улучшение, такое же назначение, что и нормализация; 6. Чистовая токарная обработка шеек, торцов, галтелей; 7. Предварительное шлифование шеек, операцию проводят только у валов с головкой, фланцем: обрабатывают шейки и прилегающие торцы, используемые в качестве технологической базы при установке вала в патроне для обработки поверхностей головки; 8. Токарная обработка поверхностей головки или фланцев; 9. Сверление осевых и радиальных отверстий; 10. Фрезерование шпоночных пазов и обработка шлицев; 11. Фрезерование, долбление зубьев (если предусмотрены конструкцией); 12. Снятие фасок на торцах зубьев: 13. Обкатывание зубьев; 14. Обработка наружных и внутренних резьбовых поверхностей; 15. Цементация (применяется при последующей закалке поверхностей с нагревом ТВЧ); 16. Шевингование зубьев; 17. Термическая обработка — закалка; 18. Шлифование посадочных поверхностей и торцов; 19. Шлифование шлицев, зубьев; 20. Калибрование резьбы и зачистка заусенцев; 21. Мойка; 22. Контроль ОТК.

Технологический маршрут обработки ступенчатого вала, на примере изготовления вторичного вала коробки передач.

1. Обработка технологических баз; 2. Обработка наружной и внутренней поверхности; 3. Обработка зубьев и поперечных отверстий; 4. Цементация; 5. Обработка незакаливаемых поверхностей; 6. Закалка; 7. Зачистка центровых фасок и шлифование поверхностей; 8. Контроль ОТК.

Типовой технологический маршрут обработки штампованных коленчатых валов.

1. Фрезерование торцов; 2. Сверление торцевых отверстий; 3. Обтачивание коренных шеек и концов вала; 4. Предварительное шлифование коренных шеек; 5. Обтачивание противовесов и шеек; 6. Обтачивание шатунных шеек; 7. Обработка смазочных каналов и шпоночных пазов; 8. Обработка отверстий во фланце и в концах вала; 9. Закалка коренных и шатунных шеек; 10. Окончательное шлифование концов вала, коренных и шатунных шеек и фланца; 11. Отделочная операция поверхности коренных и шатунных шеек.

Технологичность деталей типа «вал» .

Валы, изготовленные из конструкционных, углеродистых и легированных сталей удовлетворяют требованиям высокой прочности, малой чувствительности к концентраторам напряжений, хорошей обрабатываемости. Базой валов является их геометрическая ось.

Требования предъявляемые к валам:

— прямолинейность геометрической оси; - концентричность наружных (внутренних) поверхностей, относительно геометрических осей; - точное расположение шпоночных гнезд, резьбы относительно осей и поперечного сечения деталей; Для обеспечения качества изготовления вала при проектировании надо соблюдать требования: 1. Точные валы обрабатывать в центрах и оставлять центровые отверстия; 2. Следует избегать применения ступенчатых валов; 3. Гладкие валы изготавливать из чистого калиброванного проката; 4. Ступенчатые валы должны иметь небольшие перепады диаметров, ступени по длине приблизительно одинаковые; 5. На поверхности валов следует избегать гребней и шпонок, изготовленных за одно с валом; 6. При наличии пазов следует отдавать предпочтение в изготовлении дисковой пилой; 7. При наличии шлицев обеспечивать выход инструмента; 8. При проектировании валов проходящих закалку, необходимо избегать отверстий, пересекающих рабочую зону закалки для избежания оплавления; 9. При закалке ТВЧ ступенчатых валов необходима oговаривать незакалённые пояски около торцов, уступов.

Особенности изготовления шлицевых поверхностей на валах.

Нарезание шлиц производится фрезерованием, строганием, протягиванием, холодным накатыванием. Шлицы, закаливаемых валов и шлицы, центрируемые по наружной поверхности, обрабатывают в такой последовательности:

• 1. Фрезерование шлицев с припуском под шлифование боковых поверхностей.
• 2. Чистовое шлифование боковых поверхностей шлицев после термообработки и чистового наружного шлифования.

Обработку шлицев центрируемых по наружной поверхности, но не закаливаемых производят только чистовым фрезерованием поле чистового шлифования наружной поверхности.

Шлицы валов, центрируемых на поверхности внутреннего диаметра, обрабатывают в такой последовательности:

1. Фрезерование шлиц с припуском на шлифование, 2. Фрезерование канавок для выхода круга при шлифовании центрирующей поверхности внутреннего диаметра, 3. Чистовое шлифование боковых поверхностей и центрирующей поверхности внутреннего диаметра после термообработки.

Особенности изготовления резьбовых поверхностей на валах:

В конструкциях валов нередко предусматривают наружные и внутренние крепежные резьбы. Внутреннюю резьбу на валах обычно нарезают машинными метчиками на резьбонарезных, сверлильных, токарных, револьверных станках; наружные остроугольные резьбы на валах нарезают плашками, резьбонарезными головками, гребенками, резьбовыми фрезами и резцами.

Профиль резьбы на валах по ГОСТ 9150–81, Размеры резьбы на валах по ГОСТ 24 705–81.

Особенности изготовления ступенчатого вала:

Обрабатывают диаметр D1 на длину L3″, обрабатывают диаметр D2 на длину L2″ в размер L3, обрабатывают диаметр D3 на длину L1 в размер L3 и в размер L2.

Контроль валов.

Предусматривает проверку диаметров шеек, длин ступеней, размеров отверстий шлицов, шпоночных канавок, резьб, проверку точности форм и взаимного расположения поверхностей. При контроле используют предельные калибры, универсальные приборы, многомерные контрольные приспособления. технологический вал шлицевый торсионный Пример контроля (методы и средства) вала с прямобочными шлицами.

Внутренний диаметр, нецилиндричность, некруглость посадочной поверхности контролируют микрометром или индикаторной скобой в двух взаимно перпендикулярных направлениях и в трех сечениях по длине. Отклонения расположения проверяют с помощью индикатора. Вал устанавливают в центрах или призмах. При контроле непрямолинейности или непараллельности шлицев индикатор смещают вдоль вала. Накопленную погрешность шага определяют также с помощью индикатора. Вал крепят в делительной головке. Индикатор устанавливают по первому шлицу, затем поворачивают вал на шаг и определяют отклонения. Торсионные валы Торсионные валы относятся к упругим элементам независимой подвески гусеничных и колесных машин. При работе они нагружены переменным крутящим моментом поэтому основным требованием, предъявляемым к данным деталям, является наличие высоких и стабильных механических свойств. Торсионный вал имеет простую форму: центр ;

цилиндрическая часть диаметром D является рабочей. На наружной поверхности головок с расположенных с 2-х сторон выполняются шлицы треугольного профиля.

Торсионные валы — детали малой жесткости, поэтому, несмотря на невысокие требования точности, выполнять их достаточно сложно. Залогом спешной обработки является строгое выполнение технологических рекомендаций. В машинах большинства конструкций торсионные валы изготавливают из высоколегированной стали. В качестве исходной заготовки применяют сортовой прокат. Головки получают горячей высадкой на горизонтально — ковочных машинах с разъемом штампов вдоль оси вала. У наиболее ответственных торсионных валов для обеспечения равномерного нагружения по длине шлицев внутри головок делают коническую расточку.

Укрупненный маршрут обработки торсионных валов из штампованных заготовок:

1. Обработка технологических баз: фрезерование торцов, сверление, зенкование отверстий и нарезание резьбы; 2. Обтачивание головок, галтелей и cтержня обычно в два прохода, правка (в некоторых случаях); 3. Фрезерование или накатывание шлицев; перед накатыванием наружную поверхность головок можно шлифовать; 4. Промежуточный контроль; 5. Термическая обработка: закалка, отпуск, правка, отпуск, очистка шлицев от окалины; 6. Накатывание впадин шлицев на головках; 7. Шлифование стержня и галтелей (обычно на разных станках); 8. Полирование стержня; 9. Контроль детали на отсутствие трещин, волосовин, рисок, забоин и других дефектов; устранение дефектов производится полированием детали войлочным кругом с мелким абразивом; 10. 3аневоливание (закручивание); 11. Окончательный контроль; 12. Фосфотирование всех поверхностей вала; 13. Грунтовка и окраска стержня и галтелей.

Для повышения усталостной прочности торсионные валы подвергаются обработке поверхностным пластическим деформированием: дробеструйным наклёпом или обкатка роликами. Второй метод более эффективный. Обкатка стержня и галтелей позволяет улучшить шероховатость поверхности (R_a = 0,63 мм). Глубина наклёпа равна 2−2,5 мм. Обкатку проводят после термической обработки и шлифования с помощью специальных трехроликовых гидравлических приспособлений. Шлицы на головках обрабатывают методом накатывания или фрезерования червячной фрезой. Шлицы контролируют калибрами, проверяют также размеры и качество поверхности. Правке валы подвергаются только в тех случаях, когда их изогнутость больше допускаемой, например больше 0,5 мм на всей длине. Валы правят на прессах, с предварительным нагревом до 200? С. После правки валы отпускают при температуре около 220? С и охлаждают на воздухе.

Контроль торсионных валов включает проверку размеров, отклонения взаимного расположения поверхностей и шероховатости поверхности. Очень важной операцией технологического процесса является контроль на отсутствие трещин, проводимый методом магнитной дефектоскопии.