Конструирование и изготовление ювелирных вальцов

выпускная квалификационная работа

по направлению технологическое образование

профиль технология обработки конструкционных материалов

на тему

«Конструирование и изготовление ювелирных вальцов»

Нижний Тагил 2012 г.

Глава 1. Конструирование ювелирных вальцов

1.1 Исторические аспекты прокатки металла

1.2 Сущность и виды прокатки

1.3 Анализ различных вальцов

1.4 Конструирование ювелирных вальцов

1.5 Выбор материалов для изготовления вальцов

Глава 2. Прочностные и технологические расчеты

2.1 Прочностные расчеты

2.2 Выбор технологического оборудования

2.3 Технологический процесс изготовления детали

2.4 Себестоимость изготовления изделия

Заключение

Наш факультет является художественно-технологическим и нуждается в оборудовании для изготовления художественных изделий. В связи с этим была выбрана тема выпускной квалификационной работы: «Конструирование и изготовление ювелирных вальцов». Мы выбрали эту тему еще и потому, что нас заинтересовал процесс вальцовки при изготовлении ювелирных изделий. Конструирование ювелирных вальцов интересная и необычная тема. Мы изучили принцип и устройство ювелирных вальцов и пришли к выводу, что он будет понятен и учащимся. Мы считаем, что преподавание данной темы необходимо на специальных занятиях. Она не только расширит кругозор учащихся, но и поможет развить конструкторские навыки и логическое мышление.

Ювелирное искусство — один из древнейших и широко распространенных видов декоративно — прикладного искусства. В нем находит воплощение присущее человеку стремление к красоте. Ювелирные изделия — предметы украшения и быта из благородных металлов в сочетании с драгоценными, полудрагоценными и поделочными камнями, а также художественные изделия из недрагоценных материалов, выполненные с большим мастерством и отвечающие высоким эстетическим требованиям.

Вальцы являются очень важным инструментом ювелирной промышленности.

В производстве ювелирных изделий применяется только холодная листовая и профильная прокатка. В условиях ювелирных заводов, фабрик и мастерских используют двухвалковые прокатные вальцы с электрическим и ручным приводом, рассчитанные на сравнительно небольшие заготовки.

При конструировании ювелирных вальцов и отдельных деталей необходимо достичь удовлетворения не только эксплуатационных требований, но также и требований наиболее рационального и экономичного изготовления изделия. В этом и состоит принцип технологичности конструкции.

Актуальность темы

заключается использования необходимости ювелирных вальцов на учебных занятиях. Тема эта интересная и в то же время мало изученная. Учащимся будет интересно познакомиться с процессом вальцовки. Несмотря на компактные размеры, вальцы обладают большим запасом прочности, так как их конструкция позволяет выдерживать высокие нагрузки без каких-либо повреждений. Благодаря этому получается качественный прокат, без трещин, разрывов на краях и гофр.

Объект исследования: процесс конструирования технологического оборудования.

Предмет исследования: процесс конструирования и изготовления ювелирных вальцов.

Цель работы: сконструировать и изготовить ювелирные вальцы

На основании цели нам необходимо решить следующие задачи:

1). Рассмотреть исторические аспекты прокатки металла;

2). Проанализировать различные виды вальцов;

3). Сконструировать ювелирные вальцы;

4). Выбрать материал для изготовления вальцов;

5). Выполнить прочностные и технологические расчеты;

6). Изготовить ювелирные вальцы.

Глава 1. Конструирование ювелирных вальцов

1.1 Исторические аспекты прокатки металла

Прокатный стан — машина для обработки давлением металла и других материалов между вращающимися валками, т. е. для осуществления процесса прокатки. В более широком значении — автоматическая система или линия машин (агрегат), выполняющая не только прокатку, но и вспомогательные операции: транспортирование исходной заготовки со склада к нагревательным печам и к валкам стана, передачу прокатываемого материала от одного калибра к другому, кантовку, транспортирование металла после прокатки, резку на части, маркировку или клеймение, правку, упаковку, передачу на склад готовой продукции и др. 40; с.71]

Время и место появления первого прокатного стана неизвестны. Бесспорно, что раньше прокатчики железа применяли прокатку цветных металлов — свинца, олова, меди, монетных сплавов и др. Наиболее ранний документ (рисунок с описанием), характеризующий устройство для прокатки олова, оставлен Леонардо да Винчи (1495). Примерно до конца 17 века привод прокатного стана был ручным, в 18 веке — водяным. [21; с.36]

Промышленная прокатка железа началась примерно с 18 века. В России она особенно широко развивалась на Урале. Прокатные станы применялись для производства кровельного железа, плющения кричной заготовки в полосу или лист, разделения откованной полосы по длине на более мелкие профили квадратного или прямоугольного сечения. 17; с.24]

В конце 18 века для привода прокатных станов начали применять паровые машины; прокатка становится одним из трёх основных звеньев производственного цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя менее производительный способ ковки. К этому периоду относится промышленное применение прокатного стана с калиброванными валками, сконструированного в 1783 Г. Кортом; прокатные станы постепенно дифференцируются на листовые и сортовые. [17; с.34]

В 30−40-х гг. 19 века в связи с бурным развитием железных дорог в разных странах начинают прокатывать рельсы. В 1856−57 годах в Сааре (Германия) был установлен первый прокатный стан, предназначенный для прокатки крупных балок. В 1867 году Г. Бедсон построил непрерывный проволочный стан. В 1885 братья Маннесман изобрели способ винтовой прокатки бесшовных труб в прокатном стане с косо расположенными валками. В 1886 В. Эденборн и Ч. Морган применили быстроходную проволочную моталку с осевой подачей. Первые летучие ножницы (конструкции В. Эдвардса) установлены в 1892 в США. В 1897 г. для привода прокатного стана с успехом применен электродвигатель (Германия). В 1906 г. В Тршинец (ныне Словакия) пущен прокатный стан с реверсивным электродвигателем. Принцип непрерывной горячей прокатки листов нашёл практическое применение в 1892 в г. Теплице (ныне Чехия), где был установлен полунепрерывный стан. Первый непрерывный широкополосовой (листовой) стан построен в 1923 в США. Начало холодной прокатки листов относится к 80-м гг. 19 века; холодная прокатка труб освоена в 1930 г. в США. [30; с.118]

В СССР первым достижением станостроения явилось сооружение Ижорским заводом двух высокопроизводительных прокатных станов (блюмингов), которые в 1933 году введены в эксплуатацию на Макеевском и Днепродзержинском металлургических заводах. В 1940;60-х гг. Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) создан ряд прокатных станов для новых технологических процессов, обеспечивающих производство прокаткой многих изделий, которые ранее изготовлялись другими, менее эффективными способами (тонкостенные безрисочные трубы, листы переменной толщины по длине, профили круглого периодического сечения, шары, втулки, винты с крупным шагом, ребристые трубы и др.) [17; с.68]

В 1959;62 ВНИИМЕТМАШем и Электростальским заводом тяжёлого машиностроения созданы принципиально новые трубные станы с бесконечным редуцированием труб (как при печной сварке, так и при радиочастотной), а также станы для непрерывной прокатки бесшовных труб производительностью на порядок выше по сравнению с действующими. В эти же годы пущены разработанные ВНИИМЕТМАШем, Научно-исследовательским институтом автомобильной промышленности и Горьковским автомобильным заводом первые станы для прокатки цилиндрических и конических колёс. [17; с.74]

В 60-е гг. в СССР, США, ФРГ и Италии начато создание литейно-прокатных агрегатов, в которых совмещены процессы непрерывного литья и прокатки в едином неразрывном потоке. Такие агрегаты уже получили широкое применение для производства катанки из алюминиевых и медных сплавов, листов из алюминиевых сплавов и заготовок из стали. [17; с.93]

1.2 Сущность и виды прокатки

Прокатка — вид обработки металлов давлением, при которой металл, проходя между вращающимися валками, изменяет форму и размеры. Прокатка — непрерывный процесс, т. е. профиль прокатываемого металла изменяется по всей длине проката. Профилем проката называют поперечное сечение прокатанного металла. Вальцовка — это местная прокатка, т. е. прокатка ограниченного участка слитка или другого вида заготовки. 32; с.44]

Сущность процесса заключается в том, что заготовка обжимается, проходя в зазор между двумя вращающимися валками. При этом она уменьшается в поперечном сечении и увеличивается в длину (и в меньшей степени в ширину). Форма поперечного сечения называется профилем проката. В зависимости от профиля прокат делится на листовой, сортовой и периодический. [32; с.67]

Листовой прокат осуществляется между гладкими цилиндрическими валками, вращающимися навстречу друг другу, и в области ювелирных работ производится только в холодном состоянии.

В горячем состоянии катают толстую листовую сталь от 4 мм и выше до 60 мм (для технических целей на мощных прокатных станах). В холодном состоянии катают цветные и драгоценные металлы и их сплавы: красную медь, латунь, мельхиор, алюминий, се ребро, золото. 2; с.97]

Сортовой прокат производят в валках, имеющих специальные ручьи или калибры, благодаря которым получают прокат, имеющий различный профиль: круглый, квадратный, полосовой и т. п. При изготовлении проката той или иной формы заготовку пропускают через целый ряд последовательных калибров, пока она не приобретет окончательную форму в чистовом ручье. 32; с.76]

Периодический прокат отличается тем, что его профиль (поперечное сечение) изменяется по длине. Для этого на поверхности плоских валков в ручьях фрезеруют. Этот вид проката имеет очень большое значение в художественной обработке металла. Этим способом можно получать ленты или полосы с повторяющимся рельефным орнаментом.

Хорошие результаты дает прокат заготовок из металлов, обладающих высокой вязкостью и пластичностью, например, из красной меди, чистого серебра и т. п. Подобные работы производят при помощи небольших валков на ювелирных фабриках. 14; с.23]

Плоские и проволочные вальцы применяются ювелирами для подкатки заготовок (проволоки, прутков, листов) из драгоценных металлов до необходимой толщины, для получения специального шинника для колец (в овальных ручьях), для плющения панцирных (плоских) цепей и др.

Главный признак, определяющий устройство прокатного стана, — его назначение в зависимости от сортамента продукции или выполняемого технологического процесса. По сортаменту продукции прокатные станы разделяют на заготовочные, в том числе станы для прокатки слябов и блюмов, листовые и полосовые, сортовые, в том числе балочные и проволочные, трубопрокатные и деталепрокатные (колёса, оси и т. д.). Сляб — полупродукт металлургического производства, представляющий собой стальную заготовку прямоугольного сечения. Блюм — полупродукт металлургического производства, стальная заготовка квадратного сечения.

По технологическому процессу прокатные станы делят на следующие группы: литейно-прокатные (агрегаты), обжимные (для обжатия слитков), в том числе слябинги и блюминги, реверсивные одноклетьевые, тандемы, многоклетьевые, непрерывные, холодной прокатки. Размер прокатного стана, предназначенного для прокатки листов или полос, характеризуется длиной бочки валков, для заготовки или сортового металла — диаметром валков, а трубопрокатного стана — наружным диаметром прокатываемых труб.

Оборудование прокатного стана, служащее для деформации металла между вращающимися валками, называют основным, а для выполнения прочих операций — вспомогательным. Основное оборудование состоит из одной или нескольких главных линий, в каждой из которых располагается 3 вида устройств (рис. 1): рабочие клети (одна или несколько) — к ним относятся прокатные валки с подшипниками, станины, установочные механизмы, плитовины, проводки; электродвигатели для вращения валков; передаточные устройства от электродвигателей к прокатным валкам, состоящие большей частью из шестерённой клети, шпинделей и муфт. Между шестерённой клетью и электродвигателем часто устанавливают ещё редуктор.

Рис. 1. Главная линия четырехвалкового стана для прокатки листов:

1 — рабочая клеть; 2 — электродвигатель; 3 — шестеренная клеть; 4 — шпиндель; 5 — муфта

Наибольшее распространение получили станы с горизонтальными валками: двухвалковые (дуо), трёхвалковые (трио), четырёхвалковые (кварто) и многовалковые (рис.2). Для обжатия металла по боковым поверхностям используют клети с вертикальными валками, называемые эджерами. Станы, у которых вблизи горизонтальных валков расположены вертикальные, называются универсальными. Они служат для прокатки широких полос и двутавровых балок с широкими полками. В станах винтовой прокатки валки располагаются в рабочей клети косо — под углом подачи. Такие станы применяют для прокатки труб, осей, шаров и т. д.

Рис. 2. Схема расположения валков в рабочей клети прокатного стана:

а — двухвалкового; б — трехвалкового; в — четырехвалкового; г — шестивалкового; д — двенадцативалкового; е — двадцативалкового; ж — универсального

В производстве ювелирных изделий применяется только холодная листовая и профильная прокатка. В условиях ювелирных заводов, фабрик и мастерских используют двухвалковые прокатные вальцы с электрическим и ручным приводом, рассчитанные на сравнительно небольшие заготовки. В целях повышения пластичности слитков драгоценных металлов перед прокаткой их подвергают ковке, причем золотые и серебряные сплавы в холодном состоянии, платиновые — в горячем. 16; с.142]

Небольшие слитки проковывают вручную (молотком на наковальне), а слитки больших размеров — на ковочных прессах. После этого слитки отжигают. На вальцах с ручным приводом вальцуют и прокатывают мелкие заготовки при индивидуальном изготовлении ювелирных изделий. Вид выходящей заготовки зависит от формы валков. Валки цилиндрические с гладкой поверхностью служат для прокатки листов, слитков в листы (ленты), прутков, проволоки на плоскость (расплющивание). 38; с.290]

Валки профильные представляют собой цилиндры с проточками (желобками) разных профилей по окружности валка. Пример приведен на рис. 3. Каждая проточка на валке носит название ручей. Каждая пара профильных валков образует систему калибров. Калибром называют просвет, образованный двумя ручьями совмещенных валков. Правила последовательного расположения калибров на валках называют калибровкой валков.

Рис. 3. Профильные валки: 1 — ручей; 2 — калибр

В производстве ювелирных украшений нашли применение два вида калибров: квадратный и сегментный. Квадратный калибр образован двумя прямоугольными равнобедренными треугольниками (при совмещении валков). Квадратная калибровка валков обеспечивает прокатку слитков до проволоки нужного сечения. Сегментный калибр образован профильным валком с ручьями овального профиля (разных радиусов) и гладким валком (без ручьев). Сегментная калибровка позволяет получить заготовку для обручальных колец различной ширины и заготовку для деталей других колец.

Рис. 4. Калибры 1 — квадратный, 2 — сегментный

При прокатке металл, проходя между двумя валками, подвергается деформации, которая заключается в уменьшении высоты полосы, уширении полосы (для листовой прокатки) или в уменьшении профиля (для профильной прокатки). И в том и в другом случае изменяется форма проката и увеличивается его длина. В валки металл втягивается силами трения, которые создаются на поверхности соприкосновения металла с валками под влиянием давления, возникающего при обжатии полосы по высоте. Но металл деформируется не одновременно по всей длине полосы, а только на том участке, где происходит обжатие. 32; с.161]

Этот участок называется зоной деформации и определяется объемом между площадью начального касания валками и площадью, проходящей по продольной оси валков по линии центров. Из продольного сечения зоны деформации по вертикали (рис. 5, а) видно, как происходит постоянное обжатие полосы по толщине от начальной H до конечной h. А из продольного сечения зоны деформации по горизонтали (рис. 5, б) — как происходит уширение полосы от начального размера ВП до конечного В2. Дуга АВ1, по которой металл соприкасается с валком, называется дугой захвата, а угол а, образованный АО и ОВ1 и опирающийся на дугу захвата, углом захвата. Чем больше угол захвата, тем сильнее степень обжатия. Допустимый угол захвата при прокатке сплавов драгоценных и цветных металлов должен быть не больше 10 — 15 градусов.

Рис. 5. Деформация металла при прохождении его между валками

а — продольное сечение зоны деформации по вертикали, б — продольное сечение зоны деформации по горизонтали

Как показывает практика, максимальная суммарная степень обжатия при прокатке сплавов золота и серебра не должна превышать следующих показателей:

для серебра проб 875 и 916 — 70%

золота пробы 375 — 50…55%

золота проб 583 и 585 — 55…60%

золота пробы 750 — 55…65%

белого золота проб 583, 585 и 750 (с никелем) — 40%

белого золота пробы 750 (с палладием) — 55%.

После прохождения заготовкой дуги захвата наступает установившийся процесс прокатки. 32; с.134]

Деформация металла при прохождении его между валками неравномерна и зависит от степени обжатия (разницы между толщиной полосы и зазором между валками). При малых степенях обжатия наблюдается только поверхностная пластическая деформация, вследствие чего поверхностные слои металла имеют большую напряженность и скорость растекания их меньше скорости растекания средних слоев.

При прокатке с сильным обжатием деформация проникает на всю глубину металла и средние слои его имеют большую напряженность, а следовательно, меньшую скорость течения. Разница в скоростях растекания разных слоев прокатываемого металла вызывает неравномерность напряжений, а значит, неравномерность деформации. Неравномерность деформации наблюдается и по ширине полосы — на боковых гранях полосы деформация менее глубока, чем посередине.

Разность напряжений, а следовательно скорость течения металла, может привести к боковым надрывам, складкам, к разрыву полосы с конца (образованию «усов»). Разность напряжений снимается отжигом заготовки.

Прокатка слитков, прутков, лент и других заготовок на электромеханических вальцах требует определенной подготовки. Убедившись в исправности станка, регулировки опорного стола и, при надобности, боковых направляющих (щечек), производят регулировку зазора между валками. В современных универсальных вальцах имеется делительный диск, по которому можно определить расхождение валков. В вальцах более ранней конструкции и в вальцах с ручным приводом регулировка зазора определяется на глаз, с некоторым запасом в большую сторону. [32; с.147]

Если заготовка короткая, ее кладут на опорный стол целиком, если заготовка длинная — на опорный стол помещают головной конец ее. Подавать заготовку малых размеров к валкам рукой чрезвычайно опасно, поэтому для подачи пользуются деревянным клиновидным упором. Большие заготовки подают рукой, на безопасном расстоянии, до захвата их валками. Дальнейшее движение заготовки обеспечивают сами валки. Если после первого прохода заготовка имеет горизонтальное искажение, значит, регулировка параллельности валков недостаточна, вальцы выключают и регулируют. А если видимых горизонтальных искажений нет, процесс продолжают. [32; с.151]

В большинстве случаев достижение нужных размеров осуществляется многократными прохождениями заготовки между валками, но если есть возможность достичь заданных размеров за один проход, то предварительно запускают небольшой (пробный) участок заготовки, по которому определяют необходимый размер. В процессе прокатки постоянно просматривают ребра заготовки и, если замечают тенденцию к растрескиванию, ее подвергают дополнительному отжигу.

Прокатка прутковой заготовки в проволоку в профильных валках квадратного калибра производится вращением прутка после каждого прохода на 90° вокруг продольной оси. Таким образом, стороны квадрата (заготовки) попеременно попадают под вертикальное обжатие валками. При этом обжатие должно быть таким, чтобы на ребрах, находящихся в данный момент в горизонтальном положении, не образовался облой (слой металла, выступающий за пределы контура полуфабриката); в противном случае заготовка отходит в брак, который можно исправить только опиливанием облоя. 39: с.59]

Прокатка в профильных валках фасонной (сегментной, прямоугольной, рисунчатой) калибровкой по чистовому размеру проводится всегда за один проход. Заготовку для нее предварительно прокатывают до определенного сечения.

Вальцовку осуществляют только на вальцах с ручным приводом. Кстати, в ювелирной практике нет резкого разграничения между процессами прокатки и вальцовки, и все операции, производимые на вальцах с ручным приводом, называют вальцовкой. Несмотря на то, что вальцовка — процесс заготовительный, выполняется он уже в монтировочном цикле изготовления ювелирных изделий непосредственно ювелирами. Заготовка, предназначенная для вальцовки, нарезана поштучно, и на ней отмечены участки, форма которых должна быть изменена. Зазор между валками устанавливается по сечению заготовки; нужное обжатие задается постепенным поджатием валка. Если участок должен быть расширен, задается большее обжатие, если удлинен — меньшее. При приближении размера провальцованного участка к заданному заготовку промеряют после каждого обжатия. 34]

1.3 Анализ различных вальцов

В настоящее время существуют различные виды вальцов применяемых в ювелирном производстве, отличающиеся по конструкции и назначению.

1.Ручные ювелирные вальцы.

По своему назначению подразделяются на универсальные и специальные.

Рис. 6. Универсальные ювелирные вальцы

У универсальных ювелирных вальцов на рабочей поверхности вала расположены ручьи для проката проволоки и часть поверхности используется для проката полосы. Для индивидуальных работ наиболее удобный вариант (если ювелир не специализируется на производстве проволоки для цепи), либо проката (штамповка, чеканка).

Рис. 7. Специальные ювелирные вальцы

У специальных ювелирных вальцов на рабочей поверхности вала расположены ручьи для проката проволоки, или плоская поверхность вала для проката полосы. В профессионально изготовленных проволочных ювелирных вальцах канавки занимают всю рабочую поверхность вала и рассчитаны таким образом, что вальцовка прутка производится без перемещения верхнего вала, а последовательно по маршруту, который обеспечивают ручьи на валу. При этом пруток проворачивается на 90 градусов и должен проходить последующие ячейки без «облоя». 16; с.131]

Проволочные валки требуют более точного изготовления и вследствие чего высокую стоимость, однако значительно увеличивают производительность труда и качество проката.

Увеличение диаметра вала ювелирных вальцов влечёт за собой увеличение многих типоразмеров деталей, из которых состоят ювелирные вальцы. В первую очередь это касается корпуса вальцов несущего на себе основную нагрузку. Значительно увеличиваются рабочие шейки вала и габарит подшипников скольжения, на которых они опираются, так как естественно изменились рабочие нагрузки при прокате заготовок.

Наличие на валах шеек для установки различных дополнительных роликов увеличивает возможность получения шинок разнообразного сечения, установку дисковых ножей для порезки ленты и прочего инструмента. [32; с.63]

При выборе ювелирных вальцов следует обратить внимание на соотношение рабочего диаметра валка к рабочей поверхности. Система проката считается жёсткой при соотношении диаметра вала к расстоянию между его опорами 1 к 2-м.

Жесткость конструкции ювелирных вальцов важнейшая характеристика, оказывающая влияние на качество, получаемого проката.

Корпуса вальцовых блоков предпочтительно должны быть цельнолитыми, хуже сварными и сборными.

Основные усилия воспринимаются винтовыми парами подъёма верхнего вала. По мере износа они требуют замены на новые. В корпусе ювелирных вальцов, как правило, устанавливается резьбовая втулка, которая подвергается замене совместно с винтом.

В более дешёвых образцах, резьбы нарезаны непосредственно в корпусе, это делает довольно дорогостоящую деталь ювелирных вальцов неремонтопригодной. Диаметры винтов должны соответствовать типоразмеру станка, это предотвратит смятие резьбы при нагрузках.

При выборе ювелирных вальцов многие стремятся иметь максимальный развод валков с целью начинать прокат с наибольшей толщины, отливаемой заготовки. Следует знать, что в процессе проката валки не только деформируют заготовку по толщине, но и выравнивают выходящую полосу. На это расходуется определённые значительные усилия. Поэтому для валов диаметром до 55 мм рекомендуемый развод не должен превышать 7 мм, для более мощных вальцов 10−12 мм. Должно быть соответствие между его величиной и мощностью ювелирных вальцов. Гораздо облегчит работу переход к отливкам меньшей толщины. 10]

Важно обращать внимание на то, как конструктивно выполнен механизм подъёма вала. На вальцах должны использоваться блок сдвоенных на валу шестерёнок, со смещёнными относительно друг друга зубьями. Данная конструкция обеспечивают плавность и качество проката, прочность зацепления на изгиб зуба шестерен. Если развод обеспечивается при прямом зацеплении шестерён за счёт увеличения модуля (то есть увеличения высоты зуба), то при максимальной толщине заготовки на края зубьев приходится максимальное усилие, что приводит к излому последнего. Кроме этого прокат получается не равномерным ввиду большого увеличения межосевого расстояния, так как зацепление по эвольвенте, а при изменении межосевого расстояния нарушается механизм обкатки зубьев относительно друг друга.

Увеличивает срок службы и ремонта ювелирных вальцов предусмотренная конструкцией система смазки трущихся поверхностей. В данном случае для ручных вальцов виде системы каналов для проникновения смазки к подшипникам скольжения, маслоудерживающих полостей на трущихся поверхностях. Ювелирные вальцы, показанные на рисунке 8, имеют прокатные валки 1,2 смонтированы на подшипниках скольжения в корпусе 3. Вращение вала 2 осуществляется рукояткой 4. Верхний вал 1 получает вращение от нижнего вала через зубчатую передачу 5.

Рис. 8. Ювелирные вальцы

В вальцах передача осуществляется сдвоенными шестернями. За счёт большого коэффициента перекрытия достигнута хорошая плавность работы и увеличенный развод валков. Регулировка зазора между валами осуществляется перемещением верхнего вала с помощью маховика 6 через зубчатую передачу 7 и винты 8. Для смазки опор в подшипниках предусмотрены карманы 9, заполненные войлоком. Валики имеют гладкую поверхность для раскатывания листов и ручьи (проточки) для профильных прутов.

2. Электромеханические ювелирные вальцы.

Ювелирные вальцы, выпускаемые с электроприводом предназначены для серийного производства ювелирных изделий.

Основными критериями при выборе той или иной модели является мощность и назначения вальцов. Чем больше мощность, тем больше производительность, качество и объёмы получаемого за смену проката, тем больше стоимость и надёжность ювелирных вальцов.

Рис. 9. Электромеханические ювелирные вальцы

По части конструкции вальцовых блоков к ним применимы рекомендации как для ручных станков.

Электромеханические вальцы должны иметь принудительную систему смазки. Кроме того, существуют различные опции, позволяющие увеличить надёжность и долговечность данного оборудования:

— охлаждение валков при работе,

— фрикционные подматывающие устройства,

— различные конструкции редукторов подъёма верхнего вала.

При интенсивной работе происходит нагрев деформируемого проката, трущихся поверхностей, это вызывает интенсивный нагрев рабочих поверхностей. Со временем происходит понижение твёрдости валков (самоотпуск), увеличение усталости металла и в результате уменьшение их долговечности. Во избежание перегрева сквозь валки непрерывно подаётся охлаждающаяся жидкость, уводящая избыточное тепло. [16: с.280]

В качестве внешнего источника может использоваться водопроводная вода, ёмкость с насосом и замкнутым контуром либо установка охлаждения. Применение опции охлаждения валов также позволяет увеличить скорость прокатки станка примерно в два раза. [16: с.284]

1.4 Конструирование ювелирных вальцов

Методы решения творческих технических задач:

Метод мозгового штурма с оценкой идей: это объединение двойного, индивидуального и обратного метода. Используется для решения сверхсрочных проблем. Правильно организованный мозговой штурм включает три обязательных этапа. Этапы отличаются организацией и правилами их проведения: [15, c.251]

Постановка проблемы. Предварительный этап. В начале этого этапа проблема должна быть четко сформулирована. Происходит отбор участников штурма, определение ведущего и распределение прочих ролей участников в зависимости от поставленной проблемы и выбранного способа проведения штурма. Генерация идей. Основной этап, от которого во многом зависит успех (см. ниже) всего мозгового штурма. Поэтому очень важно соблюдать правила для этого этапа:

Полный запрет на критику и любую (в том числе положительную) оценку высказываемых идей, так как оценка отвлекает от основной задачи и сбивает творческий настрой. Необычные и даже абсурдные идеи приветствуются. Комбинируйте и улучшайте любые идеи.

Группировка, отбор и оценка идей. Этот этап часто забывают, но именно он позволяет выделить наиболее ценные идеи и дать окончательный результат мозгового штурма. На этом этапе, в отличие от второго, оценка не ограничивается, а наоборот, приветствуется. Методы анализа и оценки идей могут быть очень разными. Успешность этого этапа напрямую зависит от того, насколько «одинаково» участники понимают критерии отбора и оценки идей. Достоинства: снятие эффекта «единого мозга», возможность организовать конструктивную критику. [15, c.253−255]

Морфологический подход

Метод морфологического анализа предназначен для существенного расширения области поиска возможных решений задачи. Он основан на подборе возможных вариантов решений для отдельных частей задачи (так называемых морфологических признаков, характеризующих устройство) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании). Это — первый метод, специально созданный для решения эвристических задач. Употребляются также другие названия этого метода: метод морфологического ящика, метод морфологических карт. Морфологический анализ удобнее и нагляднее проводить с применением морфологических таблиц. Формальное комбинирование вариантов создает впечатление автоматизма в применении метода. Однако его эвристическая природа весьма существенна и зависит от следующих субъективных факторов:

интуитивное выделение узлов и их признаков, состава вариантов. Отсутствие уверенности, что учтены все (и особенно, перспективные) узлы и варианты;

конкретное решение является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций и образов.

Метод «синектики»

Синектика — методика исследования, основанная на социально психологической мотивации коллективной интеллектуальной деятельности, предложенная В. Дж. Гордоном.

В методе применены четыре вида аналогий — прямая, символическая, фантастическая, личная.

При прямой аналогии рассматриваемый объект сравнивается с более или менее похожим аналогичным объектом в природе или технике. Например, для усовершенствования процесса окраски мебели применение прямой аналогии состоит в том, чтобы рассмотреть, как окрашены минералы, цветы, птицы и т. п. или как окрашивают бумагу, киноплёнки и т. п.

Символическая аналогия требует в парадоксальной форме сформулировать фразу, буквально в двух словах отражающую суть явления. Например, при решении задачи, связанной с мрамором, найдено словосочетание «радужное постоянство», так как отшлифованный мрамор (кроме белого) — весь в ярких узорах, напоминающих радугу, но все эти узоры постоянны.

При фантастической аналогии необходимо представить фантастические средства или персонажи, выполняющие то, что требуется по условиям задачи. Например, хотелось бы, чтобы дорога существовала там, где её касаются колёса автомобиля.

Личная аналогия позволяет представить себя тем предметом или частью предмета, о котором идёт речь в задаче. В примере с окраской мебели можно вообразить себя белой вороной, которая хочет окраситься. Или, если совершенствуется зубчатая передача, то представить себя шестерней, которая крутится вокруг своей оси, подставляя бока соседней шестерне. Нужно в буквальном смысле входить «в образ» этой шестерни, чтобы на себе почувствовать всё, что достаётся ей, и какие она испытывает неудобства или перегрузки. Что даёт такое перевоплощение? Оно значительно уменьшает инерцию мышления и позволяет рассматривать задачу с новой точки зрения.

Метод проб и ошибок

Метод проб и ошибок — форма учения, в 1898 г. описанная Э. Торндайком как закрепление случайно совершенных двигательных и мыслительных актов, за счет которых была решена значимая для человека задача. Последующий анализ метода проб и ошибок показал, что он не является полностью хаотическим и нецелесообразным, а интегрирует в себе прошлый опыт и новые условия для решения задачи. Поэтому в следующих пробах время, которое затрачивается человеком на решение аналогичных задач в аналогичных условиях, постепенно уменьшается до тех пор, пока не приобретает форму мгновенного решения. Метод проб и ошибок является врождённым методом мышления человека. [28, c.184−186]

Анализ научно-методической литературы

Любая квалификационная работа, независимо от ее характера (экспериментальная или реферативная), начинается с обзора литературы по исследуемой проблеме. Эта часть подготовки работы является опережающей (изучение литературы должны начинаться еще в процессе выбора темы ВКР) в силу нескольких обстоятельств. Во-первых, прежде чем писать работу, надо разобраться в том, что уже написано, сделано другими. Только тогда становится ясным, что еще не сделано по теме работы (ведутся научные споры; сталкиваются разные научные концепции и идеи; что устарело; какие вопросы не решены) и надлежит творить самому студенту. Во-вторых, в процессе работы над информационными материалами выясняется, что можно и нужно творчески заимствовать из работ других авторов и перенести в собственную работу в качестве своеобразной базы, используемой для сравнения и противопоставления. В-третьих, в литературных источниках находят числовые данные, которые необходимы для иллюстрации своей работы, осуществления различных оценок и расчетов. И, наконец, анализ работ других авторов по теме работы неизбежно должен присутствовать в качестве составной части вашей выпускной квалификационной работы.

Кроме того, анализ литературных источников является основным методом исследования в реферативных работах.

В результате, по литературным источникам необходимо ясно себе представить все то, что имеет отношение к изучаемой проблеме:

— ее постановку,

— историю,

— степень разработанности,

— применяемые методы исследования и т. д.

Необходимо помнить, что исследовательская работа — это, прежде всего обобщение уже имеющейся информации. [28, c.269−278]

Для достижения цели выпускной квалификационной работы выбираем метод анализа литературы. Этот метод наиболее подходит для нашего случая, так как достаточно пролистать издания за последние несколько лет — и можно получить неплохое представление о сложившемся информационном поле, в котором сосредоточены источники знаний, различных сведений и данных по проблематике нашей работы.

Рис. 10. Эскиз ювелирных вальцов

Проанализировав различные виды вальцов, было решено изготавливать ручные специальные ювелирные вальцы. На рабочей поверхности вала, которых расположены ручьи для проката проволоки. В ювелирных вальцах канавки занимают всю рабочую поверхность вала. Так же профильные валки будут иметь квадратные и сегментные калибры. Что позволит, обеспечивает прокатку слитков до проволоки нужного сечения и получить заготовку для колец различной ширины.

Эскиз ювелирных вальцов показан на рис. 10. Специальные ювелирные вальцы значительно выигрывают по производительности перед универсальными, ввиду различных условий при получении полосы и проволоки.

1.5 Выбор материалов для изготовления вальцов

Для изготовления деталей ювелирных вальцов, был произведен выбор различных марок стали.

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали не более 2,14%. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. 6;с.14]

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,3 — 0,55% С) и высокоуглеродистые (0,6—2% С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4% легирующих элементов, среднелегированные — до 11% легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11% легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Большое влияние на качество сталей оказывает так называемая их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределения. По этому параметру различают три вида стал ей: кипящая — «кп», полуспокойная — «пс» и спокойная — «сп». [23; с.144]

Кипящая сталь отличается большой неравномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фосфора) по толщине проката и получается при неполном раскислении металла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при равномерном распределении примесей, поэтому она менее склонна к старению и меньше реагирует на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное значение между кипящей и спокойной.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45% железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь). 6;с.161]

Легированная сталь — сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими. 6; с.57]

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др. 6; с.62]

Легированную сталь маркируются в соответствии с их химическим составом. Первые цифры показывают среднее содержание углерода: в конструкционной стали — в сотых долях процента, в инструментальной стали — в десятых долях процента. Присутствие легирующих элементов указывается буквами: Н — никель, Х — хром, Г — марганец, С — кремний, В — вольфрам, Ф — ванадий, М — молибден, Д — медь, К — кобальт, Б — ниобий, Т — титан, Ю — алюминий, Р — бор, А — азот. Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего элемента в процентах, причём, если содержание элемента составляет около 1% и менее, то цифра не ставится. Буква, А в конце маркировки указывает, что сталь имеет пониженное содержание серы и фосфора, т. е. является высококачественной. 6; с.82]

Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых основными легирующими элементами являются олово, алюминий, железо и другие элементы (кроме цинка, сплавы с которым относятся к латуням). Маркировка бронз состоит из сочетания «Бр», букв, обозначающих основные легирующие элементы и цифр, указывающих на их содержание. Бронзы очень широко используются в качестве антифрикционных материалов. Антифрикционные материалы — это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения или материалы способные уменьшить коэффициент трения других материалов. К числу бронз, которые импользуются в качестве антифрикционных материалов относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4−3) бронз, а из безоловянных — БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Эти бронзы применяются главным образом для изготовления 1) опор подшипников скольжения, 2) колес (венцов) червячных передач и 3) гаек в передачах «винт-гайка». [8]

БрАЖ9−4 — безоловянная бронза с высокими антикоррозионными и механическими свойствами. Эта марка представляет собой деформируемый медный сплав, содержащий 9% алюминия и 4% железа. Кроме основных легирующих элементов в его состав входит незначительное количество марганца, цинка, кремния, олова, фосфора и свинца. Бронза БрАЖ 9−4 легко поддается обработке давлением в горячем состоянии, обладает высокой прочностью и хорошими антифрикционными свойствами. В настоящее время она широко применяется в авиапромышленности и машиностроении.

В таблице 1 указан выбранный нами материал для деталей ювелирных вальцов, которые будем конструировать.

прокатка металл ювелирный

Таблица 1

Детали ювелирных вальцов и материал, из которого они изготовлены

Глава 2. Прочностные и технологические расчеты

2.1 Прочностные расчеты

Проектный расчет вала на кручение

Исходные данные: Р=300Вт/ч; N=8 об/мин; R=10 мм

Крутящий момент Мкр зависит от передаваемой мощности ручного привода и частоты вращения вала. Учитывая, что мощность равна работе в единицу времени (1Вт=1Н*м/с), можно составить равенство

Р= Мкр*щ= Мкр (2р*n/60)

где Р — мощность, Вт; Мкр — момент, Н*м; n — частота вращения об/мин; щ — угловая скорость, рад/с; Отсюда получим отношение:

Мкр= (30*Р)/(р*n)=9,55Р/n,

которым воспользуемся для определения крутящего момента по заданной мощности и частоте вращения.

Мкр=9,55*300/10=286,5 Н*м

По условию прочности при кручении

фmax = Мкр max/Wp < [ф]

где [ф]- допускаемое касательное напряжение материала вала;

[ф]=300 Н/мм2 [11. с.275]

фmax — наибольшее касательное напряжение с любой точке сечения вала;

Мкр max — наибольшее значение крутящего момента поперечного сечения вала;

Wp — полярный момент сопротивления площади сечения

Wp= р*d3/16

Wp=3,14*203/16=1570мм3

фmax=286 500/1570=182 Н/мм2 < 300 Н/мм2 = [ф]

Что удовлетворяет прочности при кручение.

Расчет шпоночного соединения на смятие

Произведем расчет для призматической шпонки. Зная диаметр вала подбираем призматическую шпонку из таблицы 2.

Таблица 2. Размеры шпонок и сечений пазов

Рис. 11. Схема к расчету шпоночного соединения.

Данные для расчета:

b =6мм.

h = 6 мм;

d — диаметр вала, d = 20 мм;

t — заглубление шпонки на валу, t = 3,5 мм;

N — мощность, N=300Вт;

n — максимальное число оборотов вала, n = 8 об/мин;

l — длина шпонки, l = 16 мм.

lp — рабочая длина шпонки, lp = 10 мм.

Передаваемый момент Т=21Нм.

Условие прочности шпонки на смятие: см < [см], где

см — расчетное напряжение на смятие;

[см] - допустимое напряжение на смятие.

Величина расчетного напряжения см вычисляется по формуле

см = 2*Т/(d*(n-t)*lp) [25, с. 478]

Из справочных данных выбираем [см]

[см] = 170 Н/мм2 [25, с. 516]

Производим расчет шпонки на смятия:

см = 2*21*103/(20*(6−3,5)*10) = 84 Н/мм2

84 Н/мм2 < 170 Н/мм2

Условие прочности шпонки на смятие выполняется.

2.2 Выбор технологического оборудования

Технологический процесс осуществляется с использованием станков, инструментов и приспособлений.

К технологическому оборудованию по механической обработке заготовок относятся различные типы металлорежущих станков. Металлорежущие станки выбирают с учетом их основной характеристики (для токарных станков — высота линии центров и расстояние между центрами, для сверлильных — максимальный диаметр сверления и т. д.). В соответствии с габаритными размерами обрабатываемых заготовок выбирают типоразмер станка. Немаловажно учитывать и тот факт, что крупногабаритные станки для обработки мелких деталей предлагать нецелесообразно не только из-за излишней трудоемкости работы на них, дополнительных расходов электроэнергии, но и из-за потери точности при изготовлении. 6.c.210]

Токарно-винторезный станок 16К20

Предназначен для выполнения разнообразных токарных работ: обтачивания и растачивания цилиндрических и конических поверхностей, нарезания наружных и внутренних метрических, дюймовых резьб, а также сверления, зенкерования, развертывания и т. п. Отклонение от цилиндричности 7 мкм, конусности 20 мкм на длине 300 мм, отклонение от прямолинейности торцевой поверхности на диаметре 300 мм — 16 мкм. Однако бывают станки 16К20 без ходового винта. На таких станках можно выполнять все виды токарных работ, кроме нарезания резьбы резцом. [37]

Техническими параметрами, по которым классифицируют токарно-винторезные станки, являются наибольший диаметр D обрабатываемой заготовки (детали) или высота Центров над станиной (равная 0,5 D), наибольшая длина L обрабатываемой заготовки (детали) и масса станка. Ряд наибольших диаметров обработки для токарно-винторезных станков имеет вид: D = 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 и далее до 4000 мм. Наибольшая длина L обрабатываемой детали определяется расстоянием между центрами станка. Выпускаемые станки при одном и том же значении D могут иметь различные значения L. По массе токарные станки делятся на легкие — до 500 кг (D = 100 — 200 мм), средние — до 4 т (D = 250 — 500 мм), крупные — до 15 т (D = 630 — 1250 мм) и тяжелые — до 400 т (D = 1600 — 4000 мм). Легкие токарные станки применяются в инструментальном производстве, приборостроении, часовой промышленности, в экспериментальных и опытных цехах предприятий. Эти станки выпускаются как с механической подачей, так и без нее. [37]

Вертикально сверлильный станок 2Н125

Вертикально сверлильный станок 2Н125 с ручным управлением с откидным подъёмным столом и обработанной фундаментной плитой, предназначен для выполнения следующих операций:

сверления

зенкерования

зенкования

развёртывания

резьбонарезания в различных материалах.

Позволяет использовать различные приспособления и инструменты, расширяющие его технологические возможности.

Станок может использоваться в мелкосерийном производстве, на малых предприятиях, в ремонтных мастерских. [37]

Вертикально-фрезерный станок 6Р13

Станок 6Р13 рассчитан на фрезерование, растачивание и сверление деталей любой формы из разных материалов, включая цветные металлы, сталь, чугун и всех имеющихся вариантов их сплавов. Шпиндельная головка станков оборудована специальным механизмом ручного осевого перемещения гильзы. Благодаря этому проводится обработка тех отверстий, которые располагаются под углом 45 градусов по отношению к рабочей поверхности станка. Мощность приводов данного оборудования достаточно высока, что позволяет осуществлять резы из быстрорежущей стали и использовать инструмент из сверхпрочных и твердых синтетических материалов. [37]

Станок 6Р13 обладает рядом преимуществ по сравнению с другими аналогами:

* Крепление инструмента в шпинделе механизировано;

* Винтовая пара продольной подачи величины зазора обладает устройством периодического регулирования;

* Специальная предохранительная муфта защищает оборудование от перегрузок;

* При остановке электромагнитной муфтой осуществляется торможение горизонтального шпинделя;

* Диапазон частот вращения шпинделя достаточно высокий, равно как и режимы подачи стола;

* Долговечность, надежность и высокий уровень безопасности при эксплуатации. [37]

2.3 Технологический процесс изготовления детали

Болт изготавливаем из стали Ст20.

Токарная обработка производится на токарно-винторезном станке 16к20.

Технические характеристики токарно-винторезного станка 16К20:

Высота оси центров над плоскими направляющими станины 215 мм

Расстояние между центрами до 2000 мм.

Пределы оборотов, об/мин: 12,5; 16; 20; 25; 31.5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600

Продольные подачи мм/об: 0,05; 0,06; 0,075; 0,09; 0,1; 0,125; 0,15; 0,175; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,2; 1,4; 1,6; 2; 2,4; 2,8

Поперечных подачи мм/об: 0,025; 0,03; 0,0375; 0,045; 0,05; 0,0625; 0,075; 0,0875; 0,1; 0,125; 0,15; 0,175; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1; 1,2; 1,4. [26, c. 164]

Переход 1. Подрезать поверхность торец 1 на длине 212 мм.

Режущий инструмент — резец проходной отогнутый с пластиной из твердого сплава. Марка твердого сплава Т15К6. [26, c. 45]

Размеры резца H*B*L= 32*20*170 мм.

Радиус при вершине резца в плане r = 1,5 мм. [26, с. 119, табл.4]

Глубина резания 2 мм, t = 2 мм.

Рекомендуемая подача S= 0,6 — 1,2 мм/об. [27,с.266,табл.11]

Выбираем подачу S=0,6 мм/об.

Корректируем подачу по паспорту станка 16к20. Величина поперечной подачи S= 0,6мм/об [27,с.279]

Определяем расчетную скорость резания Vp

T — стойкость резца, Т = 30−60 мин.

Принимаем Т = 60 мин;

СV — коэффициент скорости резания. x, y, m — показатели степени влияния глубины резания t, подачи S и стойки резца на скорость резания V.

СV = 350; y=0,35; m=0,2; x = 0,15 [27, с. 269, табл. 17]

Kv = произведение коэффициентов, зависящих от конкретных условий обработки.

Kv =Kц* Kn* Ku *K* K1* Krv * Кп * Ktu * Ktс

Kц — коэффициент, учитывающий влияние материала заготовки на скорость резания, Kц = Kn * (750/Gb) [27, с. 261, табл. 1]

Kn — коэффициент характеризующий группу стали по обрабатываемости.

Показатель степени n для резца из твердого сплава равен 1. n = 1 [27, с. 262, табл. 2]

Для ст. 20: = 880 МПа [32, 174, табл. 7]

Находим Kц = 1*(750/880)=0,85

Кп — коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности заготовки на скорость резания. Для проката Кп =0,9 [27, с. 263, табл.5]

Ки — коэффициент, учитывающий влияние материала режущего инструмента на скорость резания. Для резца с пластинами из твердого сплава Т5К10 Ки = 1 [27, с. 263, табл.6]

Ktu — коэффициент, учитывающий зависимость стойки резца от одновременно работающих инструментов при средней по равномерности их нагрузке. Ktu = 1 [27, с. 264, табл.7]