Проектирование технологического процесса механической обработки корпуса сборной специальной кассетной фрезы

Введение

Благодаря появлению новых конструкций инструментов стали возможны новые высокопроизводительные способы обработки металлов резанием. Большое влияние на достижения в области конструирования инструментов оказало использование принципа сборности. В качестве сменных частей применяются: многогранные неперетачиваемые пластины (МНП); резцовые вставки, кассеты и головки; удлинители и хвостовые (державочные) части.

В настоящее время при обработке шеек коленчатых валов применяют три метода: точение, наружное и внутренне фрезерование. Метод предварительного фрезерования (вместо точения) коленчатых валов завоевал в двигателестроении всеобщее признание. При этом достигается гораздо более высокая производительность, надежность обработки, легкость автоматизации. Большое количество МНП, участвующих в формировании профиля коленчатого вала, позволяет обрабатывать цилиндрические поверхности большой ширины и торцевые поверхности противовесов одновременно.

Практический опыт работы в России и за рубежом показал, что применение способа охватывающего фрезерования, когда на одном станке производится одновременная обработка коренных и шатунных шеек, выгодно в мелкосерийном производстве, при частой смене моделей машин, при изготовлении запчастей. В массовом производстве наиболее выгодно обрабатывать методом охватывающего фрезерования только шатунные шейки.

Однако существует целый ряд проблем использования фрез внутреннего зацепления кассетного типа. Высокие требования к точности обработки шеек коленчатых валов удовлетворяются за счет точности изготовления фрезы. Поэтому ввиду сложной геометрии и точности себестоимость изготовления данных фрез велика.

Аннотация

В дипломном проекте рассматриваются вопросы проектирования технологического процесса механической обработки корпуса сборной специальной кассетной фрезы для обработки шеек коленчатого вала. Цель проекта повышение производительности и точности изготовления корпуса кассетной фрезы внутреннего зацепления. Главная задача проекта состоит в усовершенствовании существующего технологического процесса, выявлении в нем слабых сторон и недостатков.

Разработаны следующие мероприятия по устранению недостатков базового технологического процесса:

1. материал детали сталь 38ХМА предлагается заменить на сталь 19ХГН.

2. Получение заготовки методом свободной ковки предлагается заменить ковкой в подкладных штампах.

3. Предлагается заменить метод термообработки. Вместо азотирования использовать метод нитроцементации.

Разработаны вопросы организации и экономики производства. Рассмотрены вопросы охраны труда.

1. Современное состояние вопроса

1.1 Анализ конструкции и технологии изготовления фрез

Кассетная фреза с внутренним зацеплением - лезвийный инструмент для обработки с вращательным главным движением резания инструмента без возможности изменения радиуса траектории этого движения и хотя бы с одним движением подачи, направление которого не совпадает с осью вращения. Фрезы представляют собой тела вращения с формой производящей поверхности, зависящей от формы обрабатываемой и расположения оси фрезы относительно детали. При работе производящая поверхность фрезы с образованными на ней зубьями касается обрабатываемой поверхности.

Кинематика процесса фрезерования характеризуется вращением фрезы вокруг своей оси и движением подачи заготовки или фрезы, которое может прямолинейным (поступательным) и, вращательным или винтовым. При прямолинейном движении подачи обрабатываются плоскости, уступы, пазы, детали с фасонной образующей и прямолинейной направляющей. При вращательном движении подачи обрабатываются поверхности вращения, а при винтовом движении подачи - винтовые поверхности. В данном дипломном проекте рассматривается фреза, у которой движением подачи является движение обката вокруг шейки коленчатого вала.

Переход от токарной к фрезерной обработке шеек коленчатых валов на КамАЗе, ЯМЗе, КАЗе и других автозаводах произошел в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов [3].

На Ярославском моторном заводе ПО «Автодизель» для обработки коренных шеек двигателя ЯМЗ-238 применяются круглофрезерные станки фирмы GFM (Австрия) модели FKM-12L. Станки оснащены пятью фрезами наружного фрезерования диаметром 1000 мм, закрепленными на двух барабанах, приводимых в движение от электродвигателей. За один оборот коленвала производится одновременная обработка пяти коренных шеек.

Фрезерование шатунных шеек производится на станках модели FKR-16 сборными фрезами диаметром 1100 мм для наружного фрезерования.

Коренные шейки коленчатого вала двигателя КамАЗ-740-1005020 обрабатываются на специальных круглофрезерных станках «Heller» (ФРГ) модели RKFL-1500, предназначенных для одновременной обработки I-V коренных шеек. Штучное время обработки пяти коренных шеек составляет Т_шт = 3,32 мин, что соответствует производительности 18 валов в час.

Предварительное фрезерование шатунных шеек I-IV в размер Ш87 мм и Н = 63 мм производится также на станках фирмы «Heller» модели RFKD-900/1000 ч одновременно двумя фрезами. Время обработки Т = 10,7 мин, что соответствует производительности 8,5 коленвала в час.

Окончательное фрезерование шатунных шеек производится на станках модели RFKD-600/720 ч; производительность обработки 4,7 вала в час.

Загрузка и разгрузка станков автоматическая.

При разработке станков для фрезерования коленчатых валов существенный шаг вперед был сделан за счет применения фрез внутреннего (охватывающего) фрезерования.

В настоящее время станки охватывающего фрезерования выпускают многие фирмы, такие как Bцehringer, Heller, GFM (Австрия), Komatsu (Япония), а также КЗТС, СЗТЗС. Однако существенное различие заключается в осуществлении круговой подачи инструмента вокруг шейки коленвала.

Фрезерование на станках фирмы Bцehringer производится эксцентрично вращающейся фрезой с внутренним расположением режущих пластин, совершающей планетарное движение вокруг обрабатываемой шейки. Обрабатываемый вал остается неподвижным.

На станках фирмы GFM фреза прямолинейно врезается в зону между щеками коленвала, а затем ось фрезы выполняет оборот вокруг шейки за счет горизонтального и вертикального движения крестового суппорта. Система CNC обеспечивает наружное согласованное движение по осям Y и Z, вследствие чего ось фрезы выполняет соответствующее прямолинейное и круговое движение.

Охватывающее фрезерование входит в группу способов обработки многолезвийным вращающимся инструментом - фрезой.

Фреза имеет форму кольца диаметром 800-1000 мм, закрепляемого на станке за наружный диаметр. Режущие твердосплавные пластины направлены радиально вовнутрь, поэтому и способ фрезерования называется внутренним или охватывающим. Так же, как и на фрезах наружного фрезерования, неперетачиваемые пластины, в зависимости от конструкции инструмента, могут быть использованы от четырех до восьми раз.

Скорость резания и здесь определяется вращательным движением инструмента. Профиль фрезы соответствует негативной форме шейки коленчатого вала. Таким образом, и при этом способе обработки определенным инструментом можно фрезеровать только соответствующий профиль шейки.

К основным преимуществам метода охватывающего фрезерования относятся:

- рабочий диаметр намного меньше посадочного, при одинаковых силах резания требуется гораздо меньше усилия для крепления инструмента;

- при той же нагрузке, оказываемой на режущие пластинки, и за то же время обработки геометрия резания обеспечивает большее количество срезаемого металла, за счет чего повышается производительность;

- фреза с внутренними ножами охватывает коленчатый вал, за счет чего обеспечивается обработка шейки без вращения обрабатываемого вала;

- необходимая жесткость неподвижного в течение всего процесса обработки коленвала достигается за счет люнетов;

- обеспечивается более высокая плавность работы станка;

- при меньшей нагрузке на станок подача на режущую кромку может быть увеличена;

- стойкость фрезы увеличивается несмотря на более высокие подачи.

Обработка резанием производится шпинделем со значительно большим диаметром D₂. Так как при фрезеровании шеек коленвалов обрабатываются глубокие впадины, то рабочий диапазон фрезы определяется размерами обрабатываемой шейки.

Отношение посадочного диаметра к рабочему всегда значительно меньше единицы: D₁/ D₂ < 1.

С другой стороны, существует необходимость выбирать это соотношение как можно большим для обеспечения более ритмичной работы станка и инструмента.

При внутреннем фрезеровании рабочий диапазон намного меньше диаметра, за который зажимают инструмент. Отношение D₁/ D₂ ? 2…3. Таким образом, при одинаковых силах резания требуется гораздо меньше усилия для крепления инструмента, чем это требуется при круглом наружном фрезеровании. Фреза работает более спокойно, динамически устойчиво.

Во время круговой подачи фрезеруемая шейка обкатывается по внутреннему диаметру инструмента. Результатом является более длинный путь резания, что положительно сказывается на плавности работы при прерывистом резании. Кроме того, при одинаковой подаче максимальная глубина резания при внутреннем фрезеровании меньше, чем при круглом наружном. В результате более длинного пути резания и меньшей максимальной глубине мы получаем при одинаковой круговой подаче на каждую режущую кромку более тонкую стружку.

Таким образом, нагрузка на режущие кромки становится меньше, а следовательно, работа может вестись с более высокими подачами. Время фрезерования одной шейки сокращается. Стойкость режущего инструмента при охватывающем фрезеровании выше стойкости фрез, применяемых при наружном фрезеровании. Диаметр режущего контура выбирается так, чтобы коленчатый вал входил в него достаточно надежно.

Процесс обработки с неподвижным коленвалом с успехом применяет на своих станках для охватывающего фрезерования фирма GFM (Австрия).

Для обработки валов длиной до 1000 мм применяются станки модели FKR-20; в зависимости от программы выпуска коленвалов, на станках устанавливаются один или два фрезерных суппорта.

В большинстве случаев более выгодно применять станки с двумя бабками, что позволит за один установ коленчатого вала обрабатывать коренные и шатунные шейки. Для обработки коленчатых валов грузовых автомобилей фирма выпускает станки модели FKR-30 и FKR-45. На них можно обрабатывать за один установ все коренные шейки. Учитывая, что коленчатые валы таких размеров вследствие возникновения внутренних напряжений во время обработки деформируются, применяется специальный метод для устранения деформации - зажим люнетом за необработанную среднюю шатунную шейку. После чернового фрезерования шеек люнет освобождается, патроны открываются; коленчатый вал, свободный от внутренних напряжений, фиксируется между центрами, после чего производится чистовая обработка под шлифовальный размер. При обработке стабильных деталей обеспечивается круглость в пределах 0,04 мм. В зависимости от жесткости и размеров коленчатого вала, а также от поддержки коленвала в зоне фрезерования действительно достигаемая круглость шеек составляет примерно 0,1 мм.

Выпускаемые СЗТЗС и КЗТС круглофрезерные полуавтоматы модели СТ-20 и КУ-436 имеют также по две фрезерные бабки, на которые устанавливаются фрезы для одновременной обработки коренных и шатунных шеек.

Практический опыт работы в России и за рубежом показал, что при массовом производстве коленчатых валов все коренные шейки, а также фланец и концевую часть целесообразно фрезеровать методом наружного фрезерования набором фрез за один оборот вала. Шатунные шейки экономично обрабатывать на станках для внутреннего фрезерования [3].

1.2 Анализ базовой технологии изготовления фрезы

1.2.1 Требования к точности изготовления фрез

Высокие требования к точности обработки шеек коленчатых валов удовлетворяются за счет точности изготовления фрезы.

Требования к точности обработки шатунных шеек по техническим условиям изготовления коленвала автомобиля КамАЗ составляют: +0,013 мм по диаметру шейки и +0,1 мм по ширине. Следовательно, точность изготовления фрез по всем параметрам должна быть в несколько раз выше.

При определении допусков на изготовление фрез учитываются:

- точность изготовления фрезы;

- износ инструмента;

- допуски на изготовление режущих пластин;

- точность настройки на приборах контроля.

Основными требованиями к фрезам по точности изготовления являются:

допуск на диаметр посадочного отверстия фрезы Ш мм;

радиальное биение фрезы в сборе с пластинками на диаметре 900±0,04 мм;

торцевое биение фрезы в сборе ±0,06 мм.

Чтобы выдержать техусловия чертежа по радиальному и торцевому биению, все опорные поверхности в гнездах для размещения 96 режущих пластин в черновых фрезах и 108 - в чистовых должны быть изготовлены с точностью ±0,01 мм.

1.2.2 Особенности технологического процесса изготовления фрез охватывающего фрезерования

В последние годы в автомобильной, тракторной и других областях машиностроения для обработки коренных и шатунных шеек коленчатых валов широкое распространение находит способ фрезерования специальными кольцевыми фрезами Ш800-900 мм с внутренним расположением режущих твердосплавных пластин [3,9,10].

В настоящее время для оснащения круглофрезерных станков охватывающего фрезерования модели СТ-200, КУ-436 на ВАЗе и КамАЗе организован участок по изготовлению фрез для заводов автомобильной промышленности.

При унификации применяемых на заводах фрез за основу принята конструкция фрез КамАЗа с креплением пластинок клиновым зажимом и с опорой непосредственно в тело фрезы.

При разработке техпроцесса учитывалось максимальное использование имеющегося на участке крупногабаритных фрез оборудования и оснастки.

Рассмотрим некоторые особенности в технологии изготовления фрез охватывающего фрезерования [3].

Материалом для фрез охватывающего и наружного фрезерования должна быть сталь высокой прочности и износостойкости. Этим требованиям отвечают стали 40ХГНМ, 50ХФА, 40ХНГМА и другие, близкие к ним по химическому составу и требованиям по прочности. Токарная черновая обработка фрез охватывающего фрезерования может производиться как на токарно-карусельном, так и на лоботокарном станке.

Токарная обработка производится на токарно-карусельном станке модели 1572 с припуском 8 - 10 мм, после чего производится термическая обработка, закалка и отпуск корпуса (кольца).

Повторная обработка с припуском 2 -3 мм также производится на токарно-карусельном станке.

Предварительное фрезерование шпоночных пазов, сверление крепежных отверстий выполняется на универсально-фрезерном станке типа 6560.

Для снятия внутренних напряжений после предварительного фрезерования пазов и перед окончательной шлифовкой корпус проходит процесс термообработки по заданным режимам.

Фрезерование гнезд под режущие пластины является одной из основных операций по изготовлению крупногабаритных фрез. Пазы на корпусе и на кольцах должны быть строго ориентированы, поэтому операции фрезерования и шлифования всех пазов, сверление крепежных отверстий производятся от технологического отверстия Ш, обработанного с высокой точностью на координатно-расточном станке. От него же производится и сборка фрезы. При окончательной сборке в отверстие запрессовывается палец, предохраняющий кольцо от проворота.

Пазы под режущие пластины можно получить разными способами: долблением, фрезерованием, протягиванием, в зависимости от имеющегося оборудования и программы выпуска фрез.

Операция сверления, предварительного фрезерования шпоночных пазов, сверления и фрезерования шестнадцати окон для выходов стружки могут быть выполнены на широкоуниверсальном станке с поворотной вертикальной головкой типа 6Р83Ш.

Закалка и отпуск производится сразу после токарной черновой обдирки и предварительного фрезерования. В процессе обработки необходимо произвести два-три стабилизирующих отпуска для снятия всех напряжений. Первый - при t = 400-420єС и с выдержкой 3-4 часа, второй - при t = 180-200єС и с выдержкой 3-4 часа. Последний отпуск производится перед окончательной шлифовкой. Для уменьшения припусков на протягивание пазов их предварительно фрезеруют концевой фрезой Ш16 мм.

Необходимые осевые углы в обрабатываемой детали получают с помощью сменных клиньев, которые устанавливаются на стол протяжного станка. На клин устанавливается поворотный делительный стол, на котором и крепится обрабатываемая деталь - корпус фрезы или кольцо.

1.3 Выводы, цель и задачи проектирования

Проанализировав базовую технологию изготовления корпуса сборной кассетной фрезы с внутренним зацеплением, были выявлены следующие недостатки:

1. Низкий коэффициент использования материала (k=0,5);

2. Недостаточная производительность и качество обработки корпуса;

3. Наличие термических напряжений после азотирования.

Целью дипломного проекта является повышение производительности и точности изготовления корпуса кассетной фрезы внутреннего зацепления для изготовления шеек коленчатого вала.

Также в данном дипломном проекте для удаления недостатков базового техпроцесса изготовления корпуса фрезы предлагается:

1. Базовый материал детали сталь 38ХМА заменить на сталь 19ХГН;

2. Метод получения заготовки свободной ковкой заменить ковкой в подкладных штампах;

3. Заменить метод термообработки. Вместо азотирования применять метод нитроцементации.

2. Технико-экономическое обоснование выбора заготовки

Наиболее широко применяются для получения заготовок в машиностроении следующие методы: литье, обработка металлов давлением и сварка, а также комбинации этих методов. Однако каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок. Так, например, отливки можно получать в песчано-глинистых формах, в кокиль, по выплавляемым моделям, под давлением, литьем намораживанием и т.д., поковки и штамповки - ковкой на молотах, гидравлических прессах, штамповкой на штамповочных молотах, на кривошипных горячештамповочных прессах, гидровинтовых пресс-молотах, горизонтально-ковочных машинах, радиально-ковочных машинах и т.д. Многообразие способов получения заготовок и их сочетание приводит к тому, что выбор способа получения заготовки становится сложной технико-экономической задачей.

Прежде всего, следует определить, каким наиболее целесообразно получить заготовку для данной детали.

Для данной детали наиболее целесообразно использовать заготовку, получаемую обработкой металлов давлением.

Рассмотрим следующие способы получения заготовки.

Ковка. При ковке формообразование происходит вследствие течения металла в стороны, перпендикулярные движению деформирующего инструмента-бойка. Применяемый при ковке инструмент не создает значительного сопротивления течению металла при деформировании, что и отличает ковку от других видов обработки давлением, причем это течение ограничено лишь трением на контактной поверхности инструмент - деформируемый металл.

Применение ковки для получения заготовок объясняется рядом ее преимуществ по сравнению с другими видами обработки:

1) возможностью изготовления крупногабаритных поковок массой несколько сотен тонн, получение которых другими способами невозможно, причем при обработке таких поковок используется сравнительно маломощное оборудование, так как обработка ведется деформированием отдельных участков заготовки;

2) применение универсального оборудования и универсальной оснастки позволяют получать поковки широкого ассортимента;

3) в процессе ковки значительно улучшается качество металла, повышаются его механические свойства, особенно пластичность и ударная вязкость.

Основные недостатки ковки следующие: низкая производительность, значительная трудоемкость изготовления поковок, особенно на прессах; большие напуски, припуски и допускаемые отклонения поковки, что приводит к увеличению объема механической обработки и расхода металла.

Ковка осуществляется при температурах горячей деформации, поэтому для такого вида обработки применяются все стали и сплавы, используемые при обработке металлов давлением. Шероховатость поверхности поковок, полученных ковкой, не превышает R_z=320-80 мкм. При использовании подкладных штампов шероховатость поверхности поковок может быть доведена до R_z =80-40 мкм. Коэффициент весовой точности поковок не превышает 0,3-0,4, что вызывает большой объем механической обработки. Поэтому в условиях мелкосерийного производства целесообразно применять несложные подкладные штампы, групповую и секционную штамповку.

Горячая объемная штамповка. Этот способ наиболее широко распространен для получения качественных заготовок. Горячей объемной штамповкой получают заготовки для ответственных деталей. Более 65% массы всех поковок и до 20% массы деталей большинства машин изготавливают из заготовок, полученных горячей объемной штамповкой. Этот способ штамповки наиболее эффективен при массовом и, крупносерийном и серийном производствах деталей массой от нескольких грамм до нескольких тонн. Наиболее целесообразно изготовление поковок массой не более 50-100 кг.

По сравнению с ковкой горячая объемная штамповка имеет следующие преимущества:

- поковки, изготавливаемые штамповкой, имеют более сложную форму и лучшее качество поверхности; шероховатость поверхности R_z=80-20 мкм, а при применении холодной калибровки R_z=10-16 мкм;

- поковки можно получать со значительно меньшими допусками, чем при ковке, а при точной штамповке допуски можно довести до долей миллиметра и подвести под классы точности, получаемые при обработке резанием; припуски снижаются в два-три раза;

- значительно повышается производительность труда (десятки и сотни поковок в час);

- за счет наличия в конструкции штамповочного оборудования выталкивателей штамповочные уклоны значительно меньше, чем при получении штамповок на молотах.

К недостаткам горячей объемной штамповки относятся:

- ограничения по массе получаемых поковок;

- дополнительный отход металла в заусенец, масса которого составляет от 10 до 30% от массы поковки;

- для горячей объемной штамповки требуются большие усилия деформирования, чем для ковки; инструмент (штамп) является более сложным и дорогим, чем универсальный инструмент для ковки.

Методику проведения технико-экономического обоснования выбора способа получения заготовки рассмотрим на примере получения поковок.

При выборе способа получения заготовок среди способов обработки металлов давлением необходимо учитывать специфические особенности, обусловливающие выбор оптимального технологического варианта:

1) высокую металлоемкость - затраты на металл достигают 60 - 80% от себестоимости поковки;

2) значительные энергоемкость и стоимость основного технологического оборудования;

3) высокую стоимость штамповой оснастки - затраты на оснастку составляют 10 - 15% от себестоимости поковок.

Критерием оптимальности технологического процесса получения поковок является его целесообразность при заданных объемах и условиях производства. При оценке того или иного варианта получения поковок следует ориентироваться на один или группу критериев:

1. себестоимость производства поковок или готовых изделий;

2. расход материала поковки и штампа;

3. трудоемкость в заготовительном и механическом производствах;

4. качество продукции, причем первые три должны, естественно, принимать минимальные значения, а последний - максимальное.

При анализе технико-экономических показателей основными из них являются стоимость, в частности себестоимость производства, и натуральные (трудоемкость, коэффициенты использования материала и весовой точности и др.). Для упрощения расчетов при выборе наиболее рационального способа получения заготовок можно пользоваться подсчетом себестоимости по сравниваемым вариантам. Следует производить экономические расчеты всего процесса изготовления детали, включая и механическую обработку. Расчетом себестоимости поковок можно ограничиться только в том случае, если сопоставляемые процессы обеспечивают одинаковую массу, форму и размеры поковок, т.е. одинаковый объем механической обработки.

Стоимость заготовок, полученных таким методом как ковка или штамповка можно с достаточной точностью определить по формуле:

(руб.);

Где С_i - базовая стоимость 1 килограмма заготовки, руб.;

К_Т - коэффициент, зависящий от класса точности;

К_С - коэффициент, зависящий от группы сложности;

К_В - коэффициент, зависящий от массы;

К_М - коэффициент, зависящий от марки материала;

К_П - коэффициент, зависящий от объема производства заготовок.

Эскиз заготовки.

1-й вариант 2-й вариант

Рис. 2.1

Данные для расчетов стоимости заготовки

Вид заготовки ковка штамповка

Класс точности 2 2

Группа сложности 1 1

Масса заготовки Q, кг 233,65 175,82

Стоимость 1 кг заготовки, принятых

за базу С_i, руб. 50 45

Стоимость 1 кг стружки S_заг, руб. 2,5 2,5

Стоимость заготовки по первому варианту:

Стоимость заготовки по второму варианту:

Сравнивая два способа получения заготовок (получение поковки методом свободной ковки и получение поковки методом штамповки в подкладных штампах) делаем вывод, что при получении поковки методом штамповки заготовка получается более удобная для дальнейшей обработки, но изготовление штампов при малом объеме производства является нецелесообразным. Поэтому принимаем решение рассмотреть еще один метод получения данной заготовки. Получение поковки методом ковки в подкладных штампах.

Ковку в подкладных штампах (закрытых и открытых) применяют при получении поковок массой до 150 кг с относительно сложной формой, без напусков; припуски от 3 мм и выше, допуски мм и более.

Стоимость заготовки, полученной таким методом как ковка в подкладных штампах, можно с достаточной точность определить по формуле:

(руб.);

Где С_i - базовая стоимость 1 килограмма заготовки, руб.;

К_Т - коэффициент, зависящий от класса точности;

К_С - коэффициент, зависящий от группы сложности;

К_В - коэффициент, зависящий от массы;

К_М - коэффициент, зависящий от марки материала;

К_П - коэффициент, зависящий от объема производства заготовок.

Эскиз заготовки

Рис. 2.2

Данные для расчетов стоимости заготовки.

Вид заготовки ковка

Класс точности 2

Группа сложности 1

Масса заготовки Q, кг 175,82

Стоимость 1 кг заготовки, принятых

за базу С_i, руб. 50

Стоимость 1 кг стружки S_заг, руб. 2,5

Получаем стоимость заготовки:

S_заг =

Сравнивая стоимость заготовок, полученных тремя различными способами, делаем вывод, что наиболее экономичным и целесообразным методом получения заготовки для корпуса фрезы является получение поковки методом ковки в подкладных штампах.

3. Разработка техпроцесса изготовления корпуса фрезы

3.1 Служебное назначение изделия

Контурное фрезерование поверхностей тел вращения - наиболее производительный способ обработки, заменяющий точение. Фрезерование проводят поверхностью отверстия кольцевого (полого) инструмента - при внутреннем касании.

Схемы круглого фрезерования поверхностей тел вращения

а) внешним касанием; б) внутренним касанием

Рис. 3.1.1

Заготовку обрабатывают набором сборных фрез со сменными пластинами. Пластины чередуются от зуба к зубу в шахматном порядке, охватывая весь обрабатываемый контур.

При обработке неподвижно закрепленного вала методом внутреннего касания диаметр кольцевой фрезы, совершающей планетарное вращение, меньше диаметра дисковой фрезы; условия работы привода передачи лучше и расходы на инструмент примерно на 30% ниже. Достигаемые допуски при обработке: диаметра шейки ±0,1 мм. Предел шероховатости R_a = 5 ч 8 мкм.

Стойкость фрезы составляет 400 шеек при массе снятой стружки 1 кг и 100 шеек при массе 4 кг. Средняя стойкость 480 мин.

Фрезы отличаются большим разнообразием типов, форм и назначения как стандартизованных, используемых на универсальных фрезерных станках, так и специальных, проектируемых для обработки конкретных изделий. В данном дипломном проекте рассматривается специальная кассетная фреза для обработки шеек коленчатого вала автомобиля ВАЗ-21213.

Схема контурного фрезерования коленчатого вала.

а) фрезерование шатунных шеек; б) положение фрезы в процессе обработки

Рис. 3.1.2

Всю контурную обработку проводят на специальных однотипных фрезерных станках. Рис. 3.1.2. пояснять положение фрезы относительно обрабатываемой поверхности вала: I - нейтральное положение для загрузки и выгрузки заготовки вала; II - врезание при неподвижном роторе; III, IV - планетарное вращение фрезы (круговая подача на участке под углом 360°; V - остановка вращения и отвод ротора с фрезой в нейтральное положение.

Рисунок 3.1.3

На рисунке 3.1.3. указаны номера поверхностей, а в таблице 3.1.1. они разнесены по служебному назначению.

Исполнительные поверхности - поверхности детали, выполняющие ее служебное назначение.

Основные конструкционные базы - базы, определяющие положение детали в сборочной единице.

Вспомогательные конструкторские базы - базы, определяющие положение присоединенных деталей относительно данной.

Свободные поверхности - поверхности, не указанные во всех вышеперечисленных пунктах.

Таблица 3.1.1. Классификация поверхностей

3.2 Определение типа производства

Тип производства определим с учетом годовой программы выпуска детали и массы. Годовая программа выпуска согласно заданию равна 45 штук. Сделаем приблизительный расчет массы по формуле: . Плотность с возьмем стандартную для данной стали 38ХГН: с=7820 кг/м³; остальные размеры возьмем с чертежа инструмента.

По таблице зависимости типа производства от объема выпуска и массы [методичка] выбираем соответствующий тип: мелкосерийное производство.

3.3 Расчет припусков и операционных размеров

Припуски делятся на операционные и общие.

Операционный (промежуточный) допуск - это слой металла, удаляемый с заготовки при выполнении одной технологической операции (перехода).

Общим припуском на обработку называется слой металла, удаляемый с поверхности заготовки в процессе механической обработки с целью получения готовой детали. С помощью величин общих припусков на механическую обработку определяются размеры исходной заготовки без учета особенностей технологии изготовления детали.

Припуск - слой металла, служащий для улучшения качества поверхности.

Существуют три типа расчетов припусков и операционных размеров:

1. Табличный. Определяют минимальные припуски на обработку (операционные) и общие припуски по ГОСТ на заготовки.

2. Расчетно-аналитический метод (метод Кована).

3. Путем решения операционных размерных цепей.

В среднесерийном типе производства при обработке на настроенном оборудовании могут применяться второй и третий методы расчетов.

Для получения деталей более высокого качества необходимо при каждом технологическом переходе механической обработки заготовки предусматривать производственные погрешности, характеризующие отклонения размеров, геометрические отклонения форм поверхностей, отклонения расположения поверхностей.

Минимальный припуск должен обеспечивать обработку со снятием следов предыдущего технологического перехода.

Величина припуска влияет на себестоимость изготовления детали. При увеличенном припуске повышаются затраты труда, расход материала и другие производственные расходы, а при уменьшенном - приходится повышать точность заготовок, что также увеличивает себестоимость изготовления детали.

Дефектный слой у поковок 0,5-1,5 мм. Для более точного определения припуска и предотвращения перерасхода материала применяют расчетно-аналитический метод для каждого конкретного случая с учетом всех требований выполнения заготовок и промежуточных операций.

Расчетно-аналитический метод определения припусков базируется на анализе производственных погрешностей, возникающих при конкретных условиях обработки заготовки.

Величина промежуточного припуска для поверхностей типа тел вращения (наружных) определяется по формуле:

,

где R_z - высота микронеровностей поверхности, оставшиеся при выполнении предшествующего технологического перехода, мкм;

h - глубина дефектного слоя, оставшегося при выполнении предшествующего технологического перехода;

Д_пр - суммарные отклонения расположения, возникшие на предшествующем технологическом переходе, мкм;

Е_у - величина погрешностей установки при выполненном технологическом переходе, мкм.

Максимальный припуск на обработку поверхности заготовки типа тел вращения находится по формуле:

,

где д_нn - допуск на размер на предшествующем переходе, мм;

д_нb - допуск на размер на выполняемом переходе, мм.

Допуски и шероховатости поверхности на окончательных технологических переходах (операциях) принимают по рабочему чертежу.

Расчет припусков и межоперационных размеров для поверхности d=588, обработка которой производится в следующей последовательности:

1. точение черновое;

2. точение чистовое;

3. однократное шлифование,

чем достигается заданная чертежом шероховатость и отклонения:

(мм)

(мм)

d_min=587,5 мм

d_max=588,8 мм

Z_min =4 мм

Z_mах =6 мм

d_min=592,5 мм

d_max=594,8 мм

Z_min =4 мм

Z_mах =6 мм

d_min=596,5 мм

d_max=600,8 мм

Схема припусков и допусков поверхности d=588 при обработке на настроенном оборудовании.

3.4 Разработка технологического маршрута обработки с описанием схемы базирования

Наш инструмент имеет общую технологическую последовательность изготовления в виде пяти циклов:

Первый цикл - операция заготовительного производства. Получение заготовки, обработка технологических баз.

Второй цикл - операция формообразования. Обработка контура и базовых поверхностей.

Третий цикл - операция термообработки. Закалка, отпуск.

Четвертый цикл - операция чистовой обработки. Обработка технологических баз, шлифование профиля.

Пятый цикл - повышение износостойкости. Операция азотирования.

Определившись с методами обработки, составляем таблицу:

Таблица 3.4.1.

Где Т - токарная операция; ТО - термическая операция; Ш - шлифовальная операция; Фр - фрезерная операция; Св - сверлильная операция; А - операция азотирования.

Затем полученные результаты складываем в маршрут обработки, который показан в плане обработки детали.

Таблица 3.4.2. Технологический маршрут обработки детали

3.5 Расчет режимов резания

Операция черновой токарной обработки при точении наружного диаметра фрезы.

Глубина резания t: при черновом точении и отсутствии ограничений по мощности оборудования, жесткости системы СПИД принимается равным припуску на обработку, т.е. t = 5 мм.

Подача s: при черновом точении применяется максимально допустимой по мощности оборудования, жесткости системы СПИД, прочности режущей пластины и прочности державки, т.е. s = 1,0 мм (из справочника) [Колосова т. 2].

Скорость резания х, м/мин: при наружном точении рассчитывают по эмпирической формуле:

;

Среднее значение стойкости при одноинструментальной обработке принимаем Т = 45 мин. Значения коэффициента С_х, показателей степени х, у и m приведены в табл. 17 [Косилова т. 2].

С_х=340; х = 0,15; у = 0,45; m =0,2.

Коэффициент К_х является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки К_mх, состояния поверхности К_nх, материала инструмента К_uх.

Тогда (м/мин)

Сила резания. Силу резания Н принято раскладывать на составляющие силы, направленные по осям координат станка (тангенциальную Р_z, радиальную Р_y, и осевую Р_x). При наружном продольном и поперечном точении, растачивании, отрезании, прорезании пазов или фасонном точении эти составляющие рассчитывают по формуле:

Постоянная С_р и показатели степени х, у, n для конкретных условий обработки приведены в табл. 22 [Косилова т. 2].

С_р = 300; х = 1; у = 0,75; n = -0,15.

Поправочный коэффициент К_р представляет собой произведение ряда коэффициентов (), учитывающих фактические условия резания.

Отсюда (Н).

Мощность резания, кВт, рассчитывают по формуле:

Расчет времени.

Технические нормы времени в условиях массового и серийного производства устанавливаются расчетно-аналитическим методом.

Нормы штучного времени определяются:

При серийном производстве дополнительно рассчитывается подготовительно-заключительное время Т_п.з. и штучно-калькуляционное время:

Определение основного (технологического) времени:

Где L - длина обрабатываемой поверхности,

i - число проходов,

n - частота вращения заготовки,

s - подача (мм/об).

(мин).

Определение вспомогательного времени:

,

Где Т_ус - время на установку и снятие детали,

Т_уп - время на приемы управления станком,

Т_из - время на измерение детали.

Т_ус = 0,17 мин; Т_уп = 2•0,01+0,025=0,045 (мин); Т_из = 0,12 мин.

Т_в = 0,17+0,045+0,12=0,335 (мин).

Определение времени обслуживания рабочего места:

, П = 6%.

(мин).

Тогда (мин).

Отсюда (мин).

Операция черновой токарной обработки при растачивании внутреннего диаметра фрезы.

Глубина резания t: при черновом растачивании и отсутствии ограничений по мощности оборудования принимается равной припуску на обработку, т.е. t = 4 мм.

Подача s: при черновом растачивании принимается максимально допустимой по мощности оборудования, жесткости системы СПИД, прочности режущей пластины и прочности державки, т.е. s = 0.3 мм.

Скорость резания х, м/мин: при растачивании внутреннего диаметра рассчитываем по эмпирической формуле:

,

Среднее значение при одноинструментальной обработке принимаем Т = 45 мин. Значения коэффициента С_х, показателей степени х, у, т приведены в табл. 17 [Косилова т. 2].

С_х = 420; х = 0,15; у = 0,20; т = 0,20.

Коэффициент К_х является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки К_мх, состояния поверхности К_пх, материала инструмента К_uх.

,

где

К_r = 0,8; п_х = 1,

Тогда К_х = 0,77•0,8•1=0,616.

Отсюда получаем (м/мин).

Сила резания. Силу резания Н принято раскладывать на составляющие силы, направленные по осям координат станка (тангенциальную Р_z, радиальную Р_y, и осевую Р_x). При растачивании эти составляющие рассчитываются по формуле:

Постоянная С_р и показатели степени х, у, п для конкретных (расчетных) условий обработки приведены в табл. 22 [Косилова т. 2].

С_р = 300; х = 1,0; у = 0,75; п = -0,15.

Поправочный коэффициент К_р представляет собой произведение ряда коэффициентов (), учитывающих фактические условия резания. Численные значения этих коэффициентов приведены в табл. 9, 10, 23 [Косилова т. 2].

Отсюда (Н).

Мощность резания, кВт, рассчитывают по формуле:

Расчет времени.

Норма штучного времени определяются:

При серийном производстве дополнительно рассчитывается подготовительно-заключительное время Т_п.з. и штучно-калькуляционное время:

Определение основного (технологического) времени:

Где L - длина обрабатываемой поверхности,

i - число проходов,

n - частота вращения заготовки,

s - подача (мм/об).

(мин).

Определение вспомогательного времени:

,

Где Т_ус - время на установку и снятие детали,

Т_уп - время на приемы управления станком,

Т_из - время на измерение детали.

Т_ус = 0,17 мин; Т_уп = 2•0,01+0,025=0,045 (мин); Т_из = 0,12 мин.

Т_в = 0,17+0,045+0,12=0,335 (мин).

Определение времени обслуживания рабочего места:

, П = 6%.

(мин).

Тогда (мин).

Отсюда (мин).

Операция фрезерования пазов.

Глубина фрезерования t и ширина фрезерования В-понятия, связанные с размерами слоя заготовки, срезаемого при фрезеровании. Во всех случаях фрезерования, за исключением торцового, t определяет продолжительность контакта зуба фрезы с заготовкой; t измеряют в направлении, перпендикулярном к оси фрезы. Ширина фрезерования В определяет длину лезвия зуба фрезы, участвующую в резании; В измеряют в направлении, параллельном оси фрезы.

t =23 мм; В = 16 мм.

Подача. При фрезеровании различают подачу на один зуб s_z, подачу на один оборот фрезы s и подачу минутную s_м, мм/мин.

Исходной величиной подачи при черновом фрезеровании является величина ее на один зуб s_z = 0,08 мм.

Скорость резания - окружная скорость фрезы, мм/мин,

Значения коэффициента С_х и показателей степени приведены в табл. 39 [Косилова т. 2], а периода стойкости Т в табл. 40 [Косилова т. 2].

С_х = 690; Т = 130;

q = 0,2; х = 0,3; у =0,4; u = 0,1; р = 0; т = 0,35.

Общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания:

.

Коэффициент К_х является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки К_мх, состояния поверхности К_пх, материала инструмента К_uх.

К_r = 0,8; п_х = 1,

Тогда К_х = 0,77•0,8•1=0,616.

Отсюда получаем (м/мин).

Сила резания. Главная составляющая силы резания при фрезеровании - окружная сила, Н:

,

где z - число зубьев фрезы; п - частота вращения фрезы, об/мин.

z = 22; п = 420 об/мин.

Значения коэффициента С_р и показатели степени приведены в табл. 41 [Косилова т. 2], поправочный коэффициент на качество обрабатываемого материала К_мр в табл. 9 [Косилова т. 2].

С_р = 261; t = 23 мм; s_z = 0,08 мм; В = 16 мм; D = 125 мм;

х = 0,9; у = 0,8; u = 1,1; q = 1,1; щ = 0,1.

Тогда получаем

Крутящий момент, Н*м, на шпинделе

где D - диаметр фрезы, мм, D = 125 мм,

Мощность резания (эффективная), кВт

Расчет времени.

Технические нормы времени в условиях массового и серийного производства устанавливаются расчетно-аналитическим методом.

Норма штучного времени определяются:

При серийном производстве дополнительно рассчитывается подготовительно-заключительное время Т_п.з. и штучно-калькуляционное время:

Определение основного (технологического) времени:

Где L - длина обрабатываемой поверхности,

i - число проходов,

n - частота вращения заготовки,

s - подача (мм/об).

(мин).

Определение вспомогательного времени:

,

Где Т_ус - время на установку и снятие детали,

Т_уп - время на приемы управления станком,

Т_из - время на измерение детали.

Т_ус = 3,17 мин; Т_уп = 2•0,01+0,025=0,045 (мин); Т_из = 1,12 мин.

Т_в = 3,17+0,045+1,12=4,335 (мин).

Определение времени обслуживания рабочего места:

, П = 6%.

(мин).

Тогда (мин).

Отсюда (мин).

Операция фрезерования шпоночных пазов.

Глубина фрезерования t и ширина фрезерования В-понятия, связанные с размерами слоя заготовки, срезаемого при фрезеровании. Во всех случаях фрезерования, за исключением торцового, t определяет продолжительность контакта зуба фрезы с заготовкой; t измеряют в направлении, перпендикулярном к оси фрезы. Ширина фрезерования В определяет длину лезвия зуба фрезы, участвующую в резании; В измеряют в направлении, параллельном оси фрезы.

t =30 мм; В = 16 мм.

Подача. При фрезеровании различают подачу на один зуб s_z, подачу на один оборот фрезы s и подачу минутную s_м, мм/мин.

Исходной величиной подачи при черновом фрезеровании является величина ее на один зуб s_z = 0,08 мм.

Скорость резания - окружная скорость фрезы, мм/мин,

Значения коэффициента С_х и показателей степени приведены в табл. 39 [Косилова т. 2], а периода стойкости Т в табл. 40 [Косилова т. 2].

С_х = 234; Т = 80;

q = 0,44; х = 0,24; у =0,26; u = 0,1; р = 0,13; т = 0,37.

Общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания:

.

Коэффициент К_х является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки К_мх, состояния поверхности К_пх, материала инструмента К_uх.

К_r = 0,8; п_х = 1,

Тогда К_х = 0,77•0,8•1=0,616.

Отсюда получаем (м/мин).

Сила резания. Главная составляющая силы резания при фрезеровании - окружная сила, Н:

,

где z - число зубьев фрезы; п - частота вращения фрезы, об/мин.

z = 2; п = 96 об/мин.

Значения коэффициента С_р и показатели степени приведены в табл. 41 [Косилова т. 2], поправочный коэффициент на качество обрабатываемого материала К_мр в табл. 9 [Косилова т. 2].

С_р = 12,5; t = 30 мм; s_z = 0,03 мм; В = 16 мм; D = 16 мм;

х = 0,85; у = 0,75; u = 1,0; q = 0,73; щ = -0,13.

Тогда получаем

Крутящий момент, Н*м, на шпинделе

где D - диаметр фрезы, мм, D = 16 мм,

Мощность резания (эффективная), кВт

Расчет времени.

Технические нормы времени в условиях массового и серийного производства устанавливаются расчетно-аналитическим методом.

Норма штучного времени определяются:

При серийном производстве дополнительно рассчитывается подготовительно-заключительное время Т_п.з. и штучно-калькуляционное время:

Определение основного (технологического) времени:

Где L - длина обрабатываемой поверхности,

i - число проходов,

n - частота вращения заготовки,

s - подача (мм/об).

(мин).

Определение вспомогательного времени:

,

Где Т_ус - время на установку и снятие детали,

Т_уп - время на приемы управления станком,

Т_из - время на измерение детали.

Т_ус = 3,17 мин; Т_уп = 2•0,01+0,025=0,045 (мин); Т_из = 1,12 мин.

Т_в = 3,17+0,045+1,12=4,335 (мин).

Определение времени обслуживания рабочего места:

, П = 6%.

(мин).

Тогда (мин).

Отсюда (мин).

3.6 Выбор станочного оборудования

На токарных операциях 0010 и 0020 выбираем Токарный патронно-центровой станок с числовым программным управлением (модель 16К30Ф3).

Станок предназначен для обтачивания и растачивания изделий типа валов и втулок с цилиндрической, конической и фасонной поверхностями по замкнутому автоматическому циклу с автоматической сменой инструмента.

Областью рационального использования данного станка является мелкосерийное и серийное производство.

Достаточный диапазон чисел оборотов шпинделя и величин подач, наличие на станке поворотной четырехпозиционной резцовой головки с быстросменными блоками и необходимого количества инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов позволяет эффективно использовать станок при обработке изделий из различных материалов.

Станок изготавливается по классу точности П, и позволяет обрабатывать детали по 2-му квалитету точности.

Режущий инструмент, установленный в державке, закрепляется в четырех- или шестипозиционной резцовой головке.

Предусмотрено оснащение станка контурным устройством числового программного управления по трем координатам модели У221 (Н221М, Н222М, ЭМ-907).

Основные данные:

Наибольший диаметр обрабатываемой детали, мм:

над станиной 630

над суппортом 300

Наибольшая длина обрабатываемой детали, мм 1400

Наибольший диаметр прутка, проходящего в

отверстие шпинделя, мм 80

Тип привода подачи Электрогидравлический

шаговый двигатель (ШД5-Д1)

Мощность привода подачи, кВт 6,52

Число оборотов шпинделя в минуту 6,3 - 1250

Число скоростей электродвигателя привода

главного движения (по программе) 9

Мощность электродвигателя главного движения, кВт 17

Габарит станка 6000Ч3450Ч2150

Вес станка с электродвигателем, кг 7000

3.7 Выбор режущего инструмента

Режущий инструмент необходимо выбирать в зависимости от методов обработки и обрабатываемого материала. Операция 0010 и операция 0020 - токарная.

На данной операции мы проводим черновую токарную обработку заготовки. Обработка ведется на токарном патронно-центровом станке с числовым программным управлением (модель 16К30Ф3).

При точении внутреннего диаметра и торца применяем токарный проходной резец с механическим креплением четырехгранных твердосплавных пластин клин-прихватом.

Размеры:

h = 20 мм; b = 16 мм; L = 125 мм; h₀ = 20 мм; f = 20 мм; P = 25 мм.

При растачивании внутреннего диаметра применяется токарный расточной резец с механическим креплением трехгранных твердосплавных пластин клином.

Размеры:

h = 35 мм; h₀ = 25 мм; L = 200 мм; b = 32 мм; P = 32 мм.

При точении наружного диаметра и торца применяется токарный проходной резец с механическим креплением трехгранных твердосплавных пластин клин-прихватом.

Размеры:

h = 20 мм; b = 16 мм; h₀ = 20 мм; f = 20 мм; L = 125 мм; P = 25 мм.

Операция 0030 и операция 0045.

На данной операции осуществляется фрезерование пазов под ложементы, шпоночных пазов и пазов для выхода стружки (облегчения конструкции), сверление отверстий. Обработка ведется на агрегатном автомате (модель МС 800 Н).

Для фрезерования пазов под ложементы выбираем концевую фрезу с коническим хвостовиком 20 мм (по ГОСТ 17025-71).

Размеры:

d = 20 мм; L = 104 мм; l = 38 мм; z = 6.

При сверлении отверстий для поднятия фрезы применяется сверло спиральное с цилиндрическим хвостовиком 30 мм (по ГОСТ 2092-77).

Размеры:

L = 395 мм; l = 275 мм.

При сверлении отверстий для крепления зубьев фрезы используется сверло спиральное с цилиндрическим хвостовиком 8 мм (по ГОСТ 10902-77).

Размеры:

L = 117 мм; l = 75 мм.

При фрезеровании пазов для выхода стружки и облегчения конструкции фрезы используется концевая фреза с цилиндрическим хвостовиком 10 мм (по ГОСТ 17025-71).

Размеры:

d = 10 мм; L = 72 мм; l = 22 мм; z = 4.

При сверлении ступенчатых отверстий для сбора фреза с другими фрезами используется комбинированный инструмент сверло-зенкер 14 - 20.

При фрезеровании шпоночных пазов применяется шпоночная фреза, оснащенная твердосплавными пластинами (по ГОСТ 6396-78).

Размеры:

d = 10 мм; L = 62 мм; l = 12 мм.

Операция 0075, операция 0080 и операция 0095.

На данной операции осуществляется шлифование внутреннего диаметра и торцов. Шлифование происходит на плоскошлифовальном станке с круглым столом и вертикальном шпинделе.

При шлифовании используется шлифовальный круг ПП400*25*127 24А25СМ17К5 (по ГОСТ 2424-83).

3.8 Термическая обработка

В процессе эксплуатации данная фреза подвергается воздействию статических, динамических, в том числе, знакопеременных нагрузок. В связи с этим эксплуатационная надежность инструмента находится в прямой зависимости от их прочности, износостойкости, термо- и коррозионной стойкости. Выберем наиболее подходящий метод улучшения поверхностного слоя.

Цементация. Наибольшее распространение получили газовая цементация и цементация в твердом карбюризаторе. Процесс проходит при нагреве в соответствующей среде - карбюризаторе. Окончательные свойства изделия их конструкционных сталей приобретают после закалки непосредственно с температуры цементации или после подстуживания до 800 - 850°С и повторного нагрева выше температур Ас₃ сердцевины. После закалки следует отпуск при 160 - 180°С.

Цементация применяется для низкоуглеродистых сталей, реже для высокоуглеродистых и высокохромистых коррозионных сталей.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придание поверхностному слою высокой твердости (HRC 58-62) и износостойкости, повышение пределов контактной выносливости при изгибе и кручении. Как правило, цементацию применяют для повышения работоспособности деталей, испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические, переменные нагрузки и подверженные изнашиванию.

Нитроцементация. Основное назначение нитроцементации - повышение твердости, контактной выносливости, износостойкости и предела выносливости. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мартенсита, небольшого количества равномерно распределенных карбонитридов и 25-30% остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую прирабатываемость.

Содержание углерода на поверхности 0,7-0,9% и азота до 0,3-0,4%. При более высоком содержании азота в структуре слоя образуется темная составляющая, представляющая собой поры, образовавшиеся в результате выделения молекулярного азота. Эффективная толщина нитроцементованного слоя не должна превышать 1 мм, так как при большей толщине в структуре также возникает темная составляющая, резко снижающая предел выносливости стали на 30-40%, а контактную выносливость в 5-6 раз. Для нитроцементации применяют то же оборудование, что и для газовой цементации. По сравнению с газовой цементацией нитроцементация, проводящаяся при более низкой температуре, обеспечивает меньшее коробление изделий и повышает сопротивление износу и предел выносливости.

Цианирование. Цианирование проводят, как правило, при 800-950°С в расплаве, содержащем цианистые соли. Цианирование используют для повышения твердости поверхности, износостойкости, предела выносливости и контактной выносливости. Структура диффузионного слоя после цианирования аналогична получаемой после нитроцементации. С повышением температуры содержание азота в слое уменьшается, а содержание углерода возрастает, поэтому по своим свойствам слой приближается к цементованному.

Достоинства цианирования: небольшая продолжительность процесса; малые деформации и коробление (важно для деталей сложной формы).

Недостатки цианирования: трудно поддерживать постоянный состав ванны; большие потери теплоты (излучение с поверхности ванны); токсичность и высокая стоимость применяемых солей.

Работа с ядовитыми солями, их транспортировка, хранение, загрузка ванны, нейтрализация солей и т.д. Требуют особых мер предосторожности, что стало основной причиной ограниченного применения этого процесса в промышленности.

Азотирование. При азотировании происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом (или азотом и углеродом) при нагреве в соответствующей среде.

Азотирование - процесс многоцелевого назначения, используется для упрочнения конструкционных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, сплавов тугоплавких металлов, спеченных металлокерамических материалов, разнообразных гальванических и диффузионных покрытий.

В результате азотирования сталей возрастают: 1) твердость поверхности; 2) стойкость к возникновению задиров; 3) предел выносливости; 4) кавитационная стойкость; 5) сопротивляемость коррозии в атмосфере, пресной воде и в водяном паре.

Низкотемпературное <600°С газовое азотирование проводится в частично диссоциированном аммиаке, в смеси аммиака и азота, аммиака и предварительно диссоциированного аммиака. Для активизации процесса в аммиачно-водородную смесь вводят кислород или воздух. Широко применяются атмосферы на основе частично диссоциированного аммиака и углеродсодержащих компонентов: природного и городского газа, эндогаза, эндо-экзогаза, смеси азота (80%), метана (или пропана) и СО₂, продуктов пиролиза синтина, керосина и т.д.

Для азотирования применяются и расплавы цианид-цианатных солей (жидкое азотирование).

В последние годы широко применяют ионное азотирование в тлеющем заряде. В этом случае азотирование проводят в разреженной атмосфере аммиака или хорошо очищенного азота. Обрабатываемые детали подключают к катоду. Анодом является контейнер установки. При обработке деталей сложной конфигурации применяют профилированные аноды. Между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и положительные ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее. Процесс ионного азотирования проходит в две стадии: 1 - очистка поверхности катодным распылением; 2 - насыщение.

Ионное азотирование (по сравнению с печным) имеет следующие преимущества:

1. ускоряются диффузионные процессы (в 1,5-5 раза);

2. можно получить диффузионный слой регулированного состава и строения;

3. деформация изделия незначительна, высокий класс чистоты поверхности;

4. азотировать коррозионно-стойкие, жаропрочные и мартенситно-стареющие стали можно без дополнительной обработки;

5. сокращается общее время процесса (благодаря уменьшению времени нагрева и охлаждения садки);

6. большая экономичность, выше коэффициент использования электроэнергии, меньше расход насыщающих газов;

7. нетоксично и отвечает требованиям по защите окружающей среды.

Хорошие результаты получены при азотировании в вакууме, позволяющем регулировать фазовый состав и толщину диффузионного слоя и интенсифицировать процесс.

Делаем вывод, что наиболее подходящим методом улучшения поверхностного слоя является нитроцементация. Потому что глубина улучшенного слоя при азотировании в 6-10 раз меньше, чем у нитроцементированного слоя. Азотированный слой плохо подвергается механической обработке. После процесса нитроцементации могут возникнуть поводки, но их можно исправить на последующей операции шлифования. Азотированный слой не предусмотрено обрабатывать шлифованием для устранения коробления заготовки из-за малой глубины (до 0,05 мм). А так как для нитроцементации больше подходит сталь 19ХГН, принимаем решение о замене ранее предложенной стали 38ХМА на сталь 19ХГН.

Сталь 38ХМА.

Назначение - ответственные детали общего назначения в машиностроении. Основной материал деталей, подвергаемых азотированию.

Таблица 3.8.1. Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

Механические свойства (ГОСТ 4543-71)

у_В = 980 Мпа - временное сопротивление разрыву,

у_0,2 = 885 Мпа - условный предел текучести.

Таблица 3.8.2. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Таблица 3.8.3. Предел выносливости

Сталь 19ХГН.

Перспективная цементуемая хромомарганцовая сталь, обладающая высокой прочностью, повышенной прокаливаемостью при удовлетворительной способности к сварке и обработке резанием.

Изготовляемые детали: ведущие шестерни заднего моста, скользящая муфта коробки подач, т.е. широко применяется в автомобилестроении.

у_Т = 930 МПа; у_В = 1180-1520 МПа.

4. Расчет технологической оснастки

4.1 Расчет патрона цангового

Цанговый патрон предназначен для закрепления фрезы на операции 030 фрезерования пазов в корпусе.

Зажимное устройство (цанга) является центрирующим зажимом с установкой фрезы или сверла по наружной поверхности. Цанга представляет собой разрезную пружинящую втулку с конусом 7:24 по наружной поверхности. Она обеспечивает концентричность установки детали с точностью до 0,02…0,05 мм. Для инструментов различного диаметра применяется набор цанг.

Фреза Ш10 мм или сверло Ш8 мм вставляются в отверстие цанги и зажимаются за счет наворачивания накидной гайки. В этот момент цанга смещается по оси, и происходит зажатие инструмента.

Для определения усилий зажима фрезы рассчитаем силы резания при фрезерования паза для выхода стружки.

Расчет сил резания:

Рz = 10 •Сp• t^x • s^y • B^u • z • Кмр, (1)

1 D^q • n^w

где Ср, х, у, u, q, w - значение коэффициента и показателей степени возьмем из [12]

Ср = 491; х = 1,0; у = 0,75; u = 1,1; q = 1,2; w = 0,3;

t - глубина резания, t = 30 мм;

s - подача, s = 0,05 мм/мин;

В-ширина фрезерования, В = 80 мм;

z - число зубьев, z = 4;

D - диаметр фрезы, D = 10 мм;

n - частота вращения фрезы, n = 70 об/мин;

Кмр - поправочный коэффициент,

Кмр = (у_в / 750)ⁿ = (750 / 750)⁷⁵⁰ = 1.

Подставляя все значения в формулу (1), получаем:

Рz = 10 • 491 • 30^1,0 • 0,05^0,75 • 80^1,1 • 4 • 1 = 6983,1 Н.

1 10^1,3 • 70^0,3

Рассчитываем силу зажима для фрезерования:

Wo = k •Pz • D • 1, (2)

1 d • м₁

где Pz - сила резания,

D - диаметр обработки максимальный, равный 10 мм;

d - диаметр зажима, равный 10 мм;

м₁ - коэффициент трения сопротивления прокручивания, по табл. 52 [11]

м₁ = 0,15 ч 0,3 для незакаленной стали;

k - коэффициент запаса;

k = k ₀ · k ₁ · k ₂ · k ₃ · k ₄ · k ₅;

k = 1,5 ·1· 1· 1· 1· 1,2 = 1,8.

Подставляем выбранные значения коэффициентов в формулу (2), получаем:

Wo = 1,8 • 6983,1 • 10 • 1 = 83797,2 Н.

1 10 • 0,15

4.2 Расчет цанги поворотной сверлильной головки на усилие зажима

Расчет усилия зажима цанги при сверлении ведется аналогично предыдущему расчету.

Расчет сил резания при сверлении:

Ро = 10 • Сp• D^q • s^y • Кр,

где значение коэффициента Ср и показателей степени приведены в табл. 32 [12]:

Ср = 68; у = 0,7; q = 1,0.

s - подача, s = 0,2 мм/мин;

D - диаметр сверла, D = 8 мм;

Кр - коэффициент, учитывающий фактическое условие обработки, в данном случае зависит только от материала обрабатываемой заготовки и определяется выражением:

Кр = Кмр по табл [11].

Кмр = (у_в / 750)^n, n = 0,75,

Кр = Кмр = (1500 / 750)^0,75 = 1,68.

Подставляя все значения в формулу, получаем:

Ро = 10 • 68 • 8^1,0 • 0,2^0,7 • 1,68 = 2962,3 Н.

Рассчитываем силу зажима при сверлении:

Wo = k •Pо • D • 1,

1 d • м₁

где Pо - осевая сила резания, Ро = 2962,3 Н;

D - диаметр обработки, D = 8 мм;

d - диаметр зажима, d = 8 мм;

м₁ - коэффициент трения сопротивления прокручивания, [11]

м₁ = 0,15 ч 0,3 для незакаленной стали;

k - коэффициент запаса;

k = k ₀ · k ₁ · k ₂ · k ₃ · k ₄ · k ₅;

k = 1,5 ·1· 1· 1· 1· 1,2 = 1,8.

Подставляем выбранные значения коэффициентов в исходную формулу, получаем:

Wo = 1,8 • 2962,3 • 8 • 1 = 35547,6 Н.

1 8 • 0,15

Таким образом, при фрезеровании цанга должна обеспечить зажим фрезы с силой 83797,2Н, а при сверлении 35547,6Н.

4.3 Расчет режущего инструмента

Расчет сверла спирального.

Исходные данные:

Диаметр D =8 мм;

длина l = 50 мм;

у_в = 1500 МПа.

1. Выбираем инструментальный материал по табл. 2, стр. 115 [Кос. т. 2] сталь Т15К6.

2. Рассчитываем рекомендуемый передний угол по формулам Ларина. Полученное значение угла округляем до целого:

3.

;

c = -5, x = +8,

= -128є.

4. Выбираем угол наклона перемычки сверла ш = 55є и угол заборного конуса 2ц в зависимости от обрабатываемого материала:

2ц = 118є.

Рассчитаем толщину перемычки:

m = (0,1…0,2) D;

m = 1,2 мм.

Рассчитаем наименьший диаметр сверла d₀, на котором выполняют передний угол:

d₀ = ;

d₀ = = 1,6 мм.

dср = ;

d_ср = = 4,8 мм.

.

Угол подъема винтовой канавки щ равен:

щ = ;

щ =;

щ = arctg3;

щ = 79,5є ? 80 є.

5. Рассчитаем значение переднего угла на диаметре:

d₀, D, , .

Для d₀: ;

;

= 0,0889; = 5,65є.

Для D: ;

;

= 3,7575; = 83є.

Для : ;

;

= 1,2966; = 58є.

Для : ;

;

= 2,9643; = 79,3є.

6. Выбираем длину сверла L_с, длину рабочей части l_р по табл. 42, стр. 146 ГОСТ 10902-77 [Кос. т. 2]:

L_с = 117 мм; l_р = 75 мм.

7. Проверяем: l_р ? l +15…20 мм;

75 = 50 + 15 мм.

условие выполняется.

8. Режимы резания.

t = ;

t = = 4 мм;

s = 0,2 мм/об;

v = ;

где значения коэффициента C_v и показателей степени приведены в табл. 28 [Кос. т. 2]:

C_v =7; q = 0,4; y =0,7; m = 0,2.

T =8, по табл. 30 [Кос. т. 2].

k_v = k _mv · k_nv · k_lv;

k_v = ; n_v = 1; k_r = 1;

k_v = = 0,5

k_nv = 0,8, по табл. 6 [Кос. т. 2],

k_lv = 0,7, по табл. 31 [Кос. т. 2].

k_v = 0,5 · 0,8 · 0,7 = 0,28;

v = = 9,17 м/мин.

9. Рассчитываем крутящий момент М_кр и осевую силу Р₀:

М_кр = ;

Р₀ = .

Значения коэффициентов C_m и C_p и показателей степени приведены в табл. 32 [Кос. т. 2]:

C_m = 0,0345; C_p = 68;

q = 2; q = 1,0;

y = 0,8; y = 0,7.

K_р = k_мр = ; n = 0,75;

K_р = = 1,68.

М_кр = 10 · 0,0345 · 8² · 0,2^0,8 ·1,68 = 10,24 Н · м;

Р₀ = 10 · 68 · 8¹ · 0,2^0,7 ·1,68 = 2962,3 Н · м.

10. Найдем момент трения на хвостовике:

М_тр = ; f = 0,1;

М_тр = = 1185,1.

Проверяем: М_тр > М_кр

1185,1 > 10,24.

11. Конструктивные элементы:

- ширина ленточки сверла:

f = (0,04…0,06) D = 0,4 мм;

- шаг винтовой канавки:

H = ;

H = = 8,2 мм.

Заключение

В дипломном проекте был проведен анализ базового технологического процесса и выявлены следующие недостатки:

1. Низкий коэффициент использования материала при получении заготовки (k=0.5).

2. Недостаточная производительность и качество обработки поверхности корпуса.

3. Наличие термических напряжений после азотирования.

Целью дипломного проекта является повышение производительности и точности изготовления корпуса сборной специальной кассетной фрезы внутреннего зацепления.

Предложены следующие мероприятия по решению перечисленных проблем:

1. Материал детали - сталь 38ХМА заменен на сталь 19ХГН.

2. Свободная ковка заменена ковкой в прокладных штампах, что приводит к увеличению коэффициента использования материала и уменьшению припусков на обработку.

3. Заменен метод термообработки. Вместо азотирования предложен метод нитроцементации. Нитроцементация проводиться перед операцией шлифования, поэтому деформация корпуса после термической операции устраняется на шлифовальных операциях.

Предложенные решения принесли следующие результаты:

1. Увеличен коэффициент использования материала при получении заготовки.

2. Уменьшен припуск на механическую обработку (уменьшено количество токарных операций).

3. Устранена деформация корпуса из-за термических напряжений.

4. Повышена точность изготовления корпуса фрезы.

5. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий составил рублей.

Список литературы

Андреев Г.Н., Новиков В.Ю., Схиртладзе А.Г. Проектирование технологической оснастки - М: Высшая школа, 1999 - 415 с.

Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка - М: Машиностроение, 1987-326 с.

Бухтояров Г.В., Гусев С.А. Прогрессивные конструкции и технологии изготовления крупногабаритных фрез, применяемых при обработке коленчатых валов. / Обзорная информация. Тольятти, ЦНИИТЭИ автопрома, 1987-48 с.

Горина Л.Н. Обеспечение безопасных условий труда на производстве. Учебное пособие, ТГУ.

Инструментальное обеспечение автоматизированных производств / В.А. Гречишников, А.Р. Маслов, Ю.М. Соломенцев и др. М: Высшая школа, 2001 - 271 с.

Методические указания к экономическому обоснованию дипломных проектов по совершенствованию технологических процессов механической обработки деталей / Составила Шушкина Ж.В., ТГУ, 2002 г.

Палей М.М. Технология производства металлорежущих инструментов. М: «Машиностроение», 1987 - 486 с.

Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник - М: «Машиностроение».

Проектирование технологических процессов / И.П. Филонов, Г.Я. Беляев, Л.М. Кожуро и др. - Минск: «Технопринт», 2003 - 910 с.

Режущий инструмент / Д.В. Кожевников, В.А. Гречишников, С.В. Кирсанов и др. М: Машиностроение, 2004 - 512 с.

Справочник технолога-машиностроителя т. 1 / Под ред. Косиловой А., Мещерякова Р.К. - М: «Машиностроение», 1985 - 656 с.

Справочник технолога-машиностроителя т. 2 / Под ред. Косиловой А., Мещерякова Р.К. - М: «Машиностроение», 1985 - 556 с.

Справочник инструментальщика / Под ред. Ординарцева И.А. - М: «Машиностроение», 1987 - 946 с.

Справочник конструктора-инструментальщика / Под ред. Баранчикова М. - М: «Машиностроение», 1994 - 560 с.

Технология изготовления режущего инструмента. Методические указания по курсовому проектированию. Составил Малышев В.И., ТГУ, Тольятти, 2003 - 40 с.

Технология машиностроения: В 2-х кн., кн. I / Э.Л. Жуков, И.И. Козарь, С.Л. Мурашкин и др. - М: Высшая школа, 2003 - 278 с.

Шапошников Д.Е. Изготовление поковок на горячештамповочных молотах. - М: «Машиностроение», 1987 - 326 с.