Анализ технологического процесса изготовления детали «Шток»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ТЕХНОЛОГІЇ МАШИНОБУДУВАННЯ, ВЕРСТАТІВ ТА ІНСТРУМЕНТІВ ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА ДО КОМПЛЕКСНОГО КУРСОВОГО ПРОЕКТУ ЗІ СПЕЦІАЛЬНОСТІ

за освітньо-кваліфікаційним рівнем «Спеціаліст»

Тема Аналіз технологічного процесу виготовлення деталі

«Шток 43.42.23.017.01.11.001»

Суми 2010р.

Реферат Записка: 55 с., 7 табл., 12 рис., 16 источников литературы, 3 приложения.

Объект разработки: деталь «Шток».

Цель работы: Анализ технологического процесса механической обработки детали «Шток».

В курсовой работе проведен анализ служебного узла — «Поршень I ступени», детали «Шток». Проанализированы технические требования на изготовление детали. Определен тип производства — мелкосерийный и организационные условия труда. Проведен анализ технологических требований детали. Выбран способ получения заготовки — поковка и разработаны технические требования. Проанализирована технологические операции 025 токарная с ЧПУ и 055 круглошлифовальная. Обоснованы схемы базирования и закрепления заготовки на данных операциях. Обоснован выбор металлорежущих станков. Обоснован выбор станочного приспособления, металлорежущего и измерительного инструментов на данных операциях.

ВАЛ, ШТОК, ПОРШЕНЬ, ПЛУНЖЕР, НАСОС, ОПЕРАЦИЯ, РЕЗЕЦ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС Введение В ходе прохождения практики была выбрана деталь «Шток». Деталь «Шток 43.42.23.017.01.11.001» является основной частью узла «Поршень I ступени», который входит в компрессорную установку 6ВШ2,5−25/6. 6ВШ2,5−25/6 — это воздушная, поршневая, стационарная компрессорная станция, предназначенная для получения сжатого воздуха давлением до 25 МПа (250 кгс/см²), используемого:

для привода исполнительных механизмов и устройств (КИП) в технологических линиях различных производств.

для пневмоиспытаний магистральных газопроводов;

в технологических процессах горнорудной и нефтегазодобывающей промышленности.

Деталь «Шток 43.42.23.017.01.11.001» предназначена для передачи поступательного движения от кривошипно-шатунного механизма к поршню. Условия работы данной детали — нормальные, среда неагрессивная. Линейная скорость движения штока V=2,5м/с.

Для обеспечения высокой износостойкости рабочих поверхностей детали, применен соответствующий материал: сталь 30Х13 ГОСТ 5632–72.

Программа выпуска составляет 200 деталей в год.

1 Анализ служебного назначения машины, узла, детали

Деталь «Шток 43.42.23.017.01.11.001» является основной частью узла «Поршень I ступени», который входит в компрессорную установку 6ВШ2,5 25/6 (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Установка компрессорная 6ВШ2,5−25/6

6ВШ2,5−25/6 — это воздушная, поршневая, стационарная компрессорная станция, предназначенная для получения сжатого воздуха давлением до 25 МПа (250 кгс/см²), используемого:

для привода исполнительных механизмов и устройств (КИП) в технологических линиях различных производств.

для пневмоиспытаний магистральных газопроводов;

в технологических процессах горнорудной и нефтегазодобывающей промышленности.

Она представляет собой стационарную компрессорную станцию общего назначения, где в качестве машины для сжатия воздуха применен поршневой компрессор. Компрессор представляет собой Ш-образную трехрядную крейцкопфную машину с углом развала цилиндров относительно вертикальной оси 60°. В качестве привода компрессора используется дизельный двигатель. Все составные части установки, такие как газовые коммуникации, запорная, регулирующая и предохранительная арматура, вспомогательные системы (система масляная, система охлаждения и др.), смонтированы на общей раме. Для снижения шума, создаваемого компрессором, на раму установлен контейнер с шумопоглащающим материалом.

Технические характеристики установки компрессорной 6ВШ2,5−25/6 приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Технические характеристики компрессорной установки 6ВШ 2,5−25/6

Вид климатического исполнения «У», категория размещения 1 по ГОСТ 15 150–69, но для работы при:

температуре окружающей среды от минус 45 до 45С;

атмосферном давлении не менее 650 мм.рт.ст.;

запыленности окружающей среды не более 20 мг/м³.

Запрещается использование установки в жилищных застройках без дополнительных мероприятий по шумоглушению и согласования с Госсанэпидемнадзором.

Характеристика узла Узел Поршень I ступени [приложение А] состоит из следующих деталей:

штока поз. 1, на который устанавливается гайка штока поз. 9, при установке которой в штоке подмечается и сверлится отверстие O4,5Н14 под установочный винт поз. 15. При установке детали поз. 9 резьбовая часть ее смазывается графитовой смазкой и затягивается динамометрическим ключом с усилием не более 170 Нм, что связано с большими знакопеременными нагрузками, которым подвергается узел в процессе эксплуатации. Для предотвращение раскручивания конструкции во время эксплуатации винты поз. 15 ставятся на герметик.

поршня нижнего поз. 3 который устанавливается на деталь поз. 9 с посадкой Н7/6g, с гарантированным зазором S=0,014?0,079 мм., и при помощи штифта поз. 14;

поршня верхнего поз. 2, который устанавливается на поршень нижний поз. 3 с посадкой Н7/6g (S=0,015?0,090мм), и при помощи штифта поз. 14;

гайки поршня поз. 8, которая устанавливается в поршень верхний (поз.2) с посадкой Н7/6g, и крепится на гайке штока поз. 9 через резьбовое соединение, которое смазывается графитовой смазкой и затягивается с усилием не более 170 Нм; При установке данной детали в поршне поз. 2 и кольце поз. 10 подмечаются и сверлятся два отверстия для установки винтов поз. 15, при помощи которых происходит контрение.

поршневых колец поз. 4?7, которые устанавливаются в поршневые канавки при помощи штифтов поз. 11;

Условия работы и назначение элементов узла описаны ниже, а основные элементы узла изображены на рисунке 1.2 и в приложении А.

Рисунок 1.2 — Цилиндр V ступени Узел устанавливается в цилиндр I ступени, и черз серьгу соединяется с кривошипно-шатунным механизмом (рисунок 1.3).

Вращаясь, коленчатый вал через кривошипно-шатунный механизм, передает возвратно поступательное движение поршню, который, в зависимости от своего положения, всасывает и сжимает воздух в полости цилиндра.

Рисунок 1.3 — Расположение узла в изделии

1.3 Краткое описание детали Деталь «Шток 43.42.23.017.01.11.001» предназначена для передачи поступательного движения от кривошипно-шатунного механизма к поршню. Условия работы данной детали — нормальные, среда неагрессивная. Линейная скорость движения штока V=2,5м/с.

Для обеспечения высокой износостойкости рабочих поверхностей детали, применен соответствующий материал: сталь 30Х13 ГОСТ 5632–72. Заменителями для даного материала являються стали: 40Х13. Химический состав стали 30Х13 ГОСТ 5632–72 приведен в таблице 1.2. Механические свойства приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.2 Химический состав стали 30Х13 ГОСТ 5632–72

Таблица 1.3: Механические свойства стали 30Х13 ГОСТ 5632–72

Основной конструкторской базой данной детали является цилиндрическая поверхность 1, вспомогательными — цилиндрическая поверхность 2 и торец 3 (рисунок 1.4).

Таким образом поверхность 1 является двойной направляющей базой, и лишает деталь четырех степеней свободы: двух вращений и двух перемещений относительно осей Y и Х. Поверхность 2 лишает деталь одного вращения вокруг оси Z и является опорной базой. Поверхность 3 лишает деталь перемещения относительно оси Z и является опорной базой. Таким образом шток лишен 6-ти степеней свободы (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 — Схема базирования детали Соответствующая данной схеме таблица соответствий (таблица 1.4) и матрица связей (таблица 1.5) приведены ниже.

Таблица 1.4 — Таблица соответствий

Таблица 1.5 — Матрица связей

Классификация поверхностей по их функциональному назначению Деталь имеет ряд поверхностей, отличающихся друг от друга своей функциональной принадлежностью:

Поверхность 8 [рисунок 1.5] является основной, так как она определяет положение детали в изделии, т. е. является основной конструкторской базой.

Поверхности 4, 14, 18 [рисунок 1.5] являются вспомогательными, т. е. такими, которые определяют положение присоединяемых деталей к рассматриваемой. Так поверхность 4 определяет положение гайки штока поз. 9 [рисунок 1.2]; поверхность 14 — положение стопорной гайки [приложение Б]; поверхность 18 определяют положение серьги [приложение Б].

Поверхность 10 является исполнительной, так как предназначена для передачи крутящего момента детали, для регулирования его положения в изделии.

Все остальные поверхности являются свободными.

Деталь имеет следующие конструкторские особенности [рисунок 1.5]:

Центровые отверстия FM5 ГОСТ 14 034–74 (пов. 1 и 21) предназначены для базирования детали во время обработки (создают основную технологическую базу), а также — для ввинчивания крюка и подвешивания штока в вертикальное положение, при его хранении.

Рисунок 1.5 — Поверхности детали шток Поверхность 8 предназначена для базирования детали в изделии. Данная поверхность работает в условиях повышенного трения, поскольку в процессе возвратно-поступательного движения она находится в постоянном контакте с поверхностью сопрягаемой детали. Линейная скорость движения штока V=2,5м/с. Для обеспечения высокой износостойкости рабочей поверхности применен соответствующий материал: сталь 30Х13 ГОСТ 5632–72 и произведено азотирование данной поверхности. Для уменьшения нагрева и износа уплотнительных колец, а также для уменьшения усталостных разрушений (так как шток работает при знакопеременных нагрузках) шероховатость рабочей поверхности должна быть незначительной.

Шестигранник (пов.10) предназначен для закрепления штока в установке с помощью ключа, а также для регулировки зазора между торцами штока и цилиндра. Зазор между днищем поршня и днищем цилиндра должен находиться в пределах от 1,5 до 2 мм, а днищем поршня и крышкой цилиндра, в крайнем верхнем положении поршня должен быть 1,5 мм.

Конусная поверхность, выполненная под углом 7° (пов.9), предназначена для установки штока в изделии, а также для плавного сопряжения пов.8 и пов.10 с целью уменьшения концентраторов напряжения.

Резьбовая поверхность 4 выполнена с целью установки на шток и крепления на нем гайки штока поз. 9 [рисунок 1.2].

Поверхность 2 является базовой поверхностью, так как предназначена для базирования штока в изделии, путем установки его в поршень поэтому к данному торцу предъявляются повышенные требования на изготовление.

Резьбовая поверхность 14 выполнена с целью установки на шток и крепления на нем гайки 37 [приложение Б].

Резьбовая поверхность 18 выполнена для крепления штока к серьге [приложение Б], с целью передачи возвратно-поступательного движения от кривошипно-шатунного механизма.

Канавки 6, 12, 16 предназначены для выхода резца в процессе резьбонарезания, а также для выхода шлифовального круга при шлифовании поверхностей 4 и 14.

2 Анализ технических требований на изготовление детали Рабочий чертеж обрабатываемой детали содержит все необходимые сведения, дающие полное представление о детали, т. е. все проекции, разрезы и сечения, совершенно четко и однозначно объясняющие ее конфигурацию и возможные способы получения заготовки. На чертеже указаны все размеры с необходимыми предельными отклонениями, требуемая шероховатость поверхностей, допускаемые отклонения от правильных геометрических форм, а так же взаимного положения поверхностей. Чертеж содержит все необходимые сведения о материале детали, термической обработке, массе детали. Рабочий чертеж выполнен согласно требований соответствующих стандартов ЕСКД.

Для изготовления штока применена высококачественная легированная конструкционная сталь 30Х18 ГОСТ 5632–72. Данный материал применяется при изготовлении режущего, мерительного инструмента, пружин, карбюраторных игл, штоков поршневых компрессоров, деталей внутренних устройств аппаратов и других различных деталей, работающих на износ в слабоагрессивных средах до 450 °C.

Подбор марки стали осуществляется по механическим свойствам, конструктивно полученным при расчете пары трения. Сталь обладает повышенной прочностью и вязкостью. Поверхности штока, работающие в условиях трения и с большими нагрузками, требуют высокой твердости поверхностного слоя, что достигается азотированием. Это еще одно из условий в выборе марки стали, которая подвергается азотации.

Химический состав стали 30Х13 ГОСТ 5632–72 приведен в таблице 1.2, а механические свойства при испытании на длительную прочность в таблице 1.3.

Обрабатываемость резанием стали 30Х13 ГОСТ 5632–72 при? = 730 МПа, НВ 241 — К?_ТВ.спл.=0,70 (для условий точения резцами с пластинками из твердых сплавов), К?_{быстр.реж.}=0,45 (для резцов с быстрорежущими пластинками).

Данная сталь поддается ковке, так температура начала ковки составляет 1250 °C, а конца 850 °C, после чего следует низкотемпературный отжиг с одним переохлаждением.

Исходя из конфигурации детали и свойств ее материала, на поковку назначена III группа по ГОСТ 25 054–81 с твердостью 235…277 НВ. III группа поковки, предусматривает, что индивидуально каждая поковка должна подвергаться испытанию на определение твердости. Одним из недостатков данной марки стали, является большая склонность их к образованию флокенов, при обнаружении их хотя бы в одной поковке бракуют все поковки данной плавки. Одним из требований к заготовке после предварительной обработки является ее контроль ультразвуковой дефектоскопией по ГОСТ 24 507–80, согласно группы качества 2п, которая регламентирует допускаемые площади дефектов по длине заготовки.

Механической обработке поверхностей штока предшествует образование единой технологической базы, для обеспечения расположения осей всех обрабатываемых ступеней детали на одной геометрической линии, и с целью уменьшения радиального биения.

Такой линией является ось центров, и все допуски расположения поверхностей ориентированы относительно этой оси. Центровые отверстия FМ5 (рисунок 2.1), образующие ось центров на детали, выполняются по ГОСТ 14 034–74. Форма F, центровых отверстий, применяется для монтажных работ, хранения и термообработки деталей в вертикальном положении. Точность изготовления диаметральных размеров и угла 60° обеспечивается центровочным режущим инструментом, при этом отклонение угла должно составить не более (-30'). Точность изготовления резьбы по Н7 ГОСТ 16 093–2004. Параметры шероховатости центровых отверстий FM5 должны быть: посадочной поверхности (конусной) — Ra?2,5 мкм; поверхности резьбы и предохранительных фасок Ra?6,3 мкм.

Рисунок 2.1 — Центровые отверстия FM5 ГОСТ 14 034–74

Учитывая сравнительно тяжелые условия эксплуатации детали (большое трение, и продольные, переменные нагрузки) к ней предъявляются жесткие требования по размерной точности, точности взаимного расположения поверхностей, определяющих положение присоединяемых деталей, чистоте поверхностей.

Деталь представляет собой тело вращения и не является жесткой, так как ее длина, более чем, в 15 раз больше диаметра, поэтому ее обработка требует использования специальных приспособлений.

Основной конструкторской базой штока (ДНБ) являются цилиндрическая поверхность O32h6(_-0,016). Допуск на размер соответствует 6 квалитету точности и обеспечивает в паре трения посадку с зазором. На трущиеся элементы, подвергаемым азотации назначена рекомендуемая шероховатость поверхности по критерию Ra = 0,8 мкм.

Допуск цилиндричности поверхности равный 0,01 мм, что соответствует 6 — 7 степеням точности по СТ СЭВ 636−77 77 (с ближайшими стандартными допусками 0,008 мкм и 0,012 мкм, соответственно) Данное требование оправдано, так как не выполнение его приведет к увеличению износа, а также к его неравномерному распределению по поверхности штока.

Конусная поверхность, выполненная под углом 7°, предназначена для установки штока в изделии, а также для плавного сопряжения примыкающих поверхностей, и с целью уменьшения концентраторов напряжения. Точность изготовления данной поверхности соответствует IT14 квалитету, а шероховатость — Ra=0,8мкм.

Требования к торцевому биению поверхности 493/35(_-0,25) относительно оси центров (соответствует 8 степени точности по СТ СЭВ 636−77) обосновано. Несоблюдение группы этих допусков повлечет за собой установку поршня с перекосом, нарушению герметичности, и нарушению режима подачи газа.

Назначение резьб детали М30×1,5−8g — крепежное. Класс точности резьбы назначен — «грубый». В соответствии с классом точности, шагом и длиной свинчивания резьбы назначено поле допуска 8g для наружной резьбы [7, табл. 8.4, 8.5]. Также, предъявлено жесткое требование к несоосности среднего диаметра резьбовой поверхности Ж и оси центров не более 0,02 мм (соответствует 6−7 степеням точности по СТ СЭВ 636−77 с ближайшими стандартными допусками 16 мкм и 25 мкм, соответственно).

Шестигранник S=27 предназначен для закрепления штока в установке с помощью ключа. Точность изготовления данной поверхности равна IT14 квалитету точности, шероховатость поверхности Ra=3,2 мкм. Невыполнение данных требований сделает невозможным установку штока в изделии.

Остальные поверхности свободные, их предельные отклонение размеров для отверстий по Н14, валов h14, остальных ± IT14/2, допуски формы и расположения по ГОСТ 25 069–81.

Исходя из анализа технических требований предъявляемых к детали и ее заготовке, изготовление детали необходимо производить поэтапно, последовательно приближая форму, размеры и шероховатость к требованиям, предъявляемым чертежом.

При назначении припусков на заготовку необходимо учитывать припуск под отрезку образцов и на предварительную обработку под УЗД.

Учитывая габариты и массу детали необходимо после черновой обработки назначать стабилизирующей отпуск для снятия внутренних напряжений.

Учитывая жесткие требования к шероховатости поверхностей, точности их размеров и форм, обработку производить на точном оборудовании.

3 Определение типа производства, такта выпуска и партии запуска Тип производства рассчитан на ЕВМ (приложение В). Исходные данные для расчета приведены так же в приложении. Согласно расчета тип производства — мелкосерийный.

Мелкосерийное производство приближается по своим технологическим особенностям к единичному производству. Этому типу производства присуща большая номенклатура выпускаемых изделий, сравнительно небольшой объем выпуска и большое количество выполняемых на различных рабочих местах операций. Коэффициент закрепления операций определяется отношением числа всех различных технологических операций, выполняемых или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест. В соответствии с ГОСТ 3.1108−74 коэффициент закрепления операций составляет для мелкосерийного типа производства — свыше 20 до 40 включительно.

По всем технологическим и производственным характеристикам серийное производство занимает промежуточное положение между единичным и массовым производством.

Используется универсальное и специализированное и частично специальное оборудование. Широко используются станки с ЧПУ, обрабатывающие центры и находят применение гибкие автоматизированные системы станков с ЧПУ, связанных транспортирующими устройствами и управляемым от ЭВМ. Технологическая оснастка в основном универсальная, однако, во многих случаях создается высокопроизводительная специальная оснастка; при этом целесообразность ее создания должна быть предварительно обоснована технико-экономическим расчетом. Большое распространение имеет универсально-сборная, переналаживаемая технологическая оснастка, позволяющая существенно повысить коэффициент оснащенности серийного производства. В качестве исходных заготовок используются горячий и холодный прокат, литье второго класса точности, точные виды литья и точные штамповки, целесообразность применения которых также обосновывается технико-экономическими расчетами. Требуемая точность достигается как методами автоматического получения размеров, так и методами пробных ходов и промеров с частичным применением разметки.

Средняя квалификация рабочих выше, чем в массовом производстве, но ниже, чем в единичном. Наряду с рабочим высокой квалификации, работающими на сложных универсальных станках, и наладчиками используются рабочие-операторы, работающие на настроенных станках.

Технологическая документация и техническое нормирование подробно разрабатываются для наиболее сложных и ответственных заготовок при одновременном применении упрощенной документации и опытно-статистического нормирования простейших заготовок.

Для серийного типа производства рекомендуется предметная форма организации работ, при которой станки располагаются в последовательности технологических операций для одной детали. Детали обрабатываются на станках партиями; при этом время выполнения операции на отдельных станках может быть не согласовано со временем обработки на других станках. Изготовленные детали во время работы хранят у станков и затем транспортируют целой партией. Детали, ожидающие поступления на следующий станок для выполнения очередной операции, хранят или у станков, или на специальных площадках между станками, на которых производится контроль деталей.

Мелкосерийное производство характеризуется тем, что за каждым рабочим местом согласно ГОСТ 3.1108−74 закреплено от 21 до 40 операций.

деталь шток станочный металлорежущий

4. Анализ технологичности конструкции детали Отработка конструкции на технологичность комплекс мероприятий по обеспечению необходимого уровня технологичности конструкции изделия по установленному показателям. Она направлена на повышение производительности труда, снижения затрат и сокращения времени на изготовление при обеспечении необходимого ею качества.

Оценка технологичности конструкции производится двух видов: качественная и количественная.

Качественная оценка технологичности конструкции. Анализируя технологичность конструкции по применяемым материалам необходимо отметить, что сталь 30Х13 ГОСТ 4543–88 имеет удовлетворительную обрабатываемость. Применение более дешевого материала не целесообразно т.к. это неизбежно приведет к снижению механических свойств материала. Применение для изготовления данной детали более легкого и прочного материала не имеет смысла т.к. данные материалы имеют более высокую стоимость, чем данная сталь и более низкие показатели обрабатываемости, что еще более увеличивает стоимость получения детали.

Для достижения более твердой и износостойкой поверхности o32, ее азотируют с последующей шлифовкой, для достижения соответственной шероховатости и точности поверхности Анализируя форму поверхностей детали с точки зрения возможности применения высокопроизводительного оборудования можно выделить, что основная масса обрабатываемых поверхностей являются простыми (плоскими, цилиндрическими, конусными), что облегчает обработку детали т.к. точность и стабильность обработки в значительной мере определяется простотой конструктивных форм. Сам шток не является технологичной деталью т.к. при максимальном диаметре 32 мм он имеет длину 493 мм, что отрицательно сказывается на жесткости детали, создает проблемы при его обработке.

Масса детали 2,88 кг. Это значит, что для установки и транспортировки его не нужно использовать вспомогательные механизмы (кран балку).

На основании изучения чертежа, а также условия работы изделия, в рассматриваемой детали «Шток» присутствуют следующие нетехнологичные элементы:

— для обработки вала необходимо устанавливать люнет, для исключения изгиба под действием сил резания, на что необходимо дополнительно вспомогательное время;

— на штоке нарезается три метрические резьбы М30×1,5−8g, что нетехнологично с точки зрения реализации.

Вышеизложенные замечания вызваны конструктивными соображениями и изменить что-либо не представляет возможности.

Наиболее развитая ступень штока o32h6 выполнены с шероховатостью поверхностей Ra = 0,8 мкм и точностью по 6 квалитету, что требует обработку за несколько переходов на токарной операции и один два переход на шлифовальной операции.

При механической обработке поверхности для базирования и закрепления являются открытыми и достаточно развитыми, что удобно.

Согласно технических требований конструктор оговаривает заготовку поковку III группы по ГОСТ 8479–80, что обязует испытывать каждую заготовку на твердость.

Качественный анализ для удобства представим в виде таблицы 4.1.

Коэффициент точности обработки:

К_ТЧ = 1-(1/А_СР)

где А_СР — средний квалитет точности.

А_СР=(n₁+n₂+ …+n₅₆)/ m_i

где n — квалитет точности каждой поверхности;

m — количество поверхностей.

А_СР=334/26=12,8

К_ТЧ = 1−1/12,8=0,92

Т. к. К_ТЧ>0,8, деталь по этому показателю является технологичной.

Коэффициент шероховатости по Ra

К_Ш=1−1/Б_СР

где Б_СР -средняя шероховатость поверхности.

Б_СР =(c₁+c₂+ …+c₅₆)/ m_i

где с — значение шероховатости каждой поверхности.

Б_СР=117,8/26=4,5,

К_Ш=1−¼, 5=0,78.

Т. к. К_Ш >0,32, деталь по этому показателю является технологичной.

Таблица — 4.1 Качественная оценка технологичности

Вывод: В целом деталь «Шток» технологична, хотя имеет отдельные нетехнологичные элементы

· длина вала -493 мм (установка в люнете на токарной и шлифовальной операциях, а также его подналадка);

· центральная часть штока выполненных по шестому квалитету и соответственно с шероховатостью поверхности Ra=0,8 мкм.

5 Анализ базового технологического процесса Рассмотрим заводской аналог технологического процесса изготовления детали «Шток».

В базовом технологическом процессе заготовка — поковка кованная на молотах, это наиболее рациональный метод получения заготовки, так как форма заготовки и детали максимально приближены. Конструктором в технических требованиях оговорены необходимые механические свойства детали, получаемой ковкой, следовательно в предлагаемом технологическом процессе заготовка так же будет — поковка.

Данную заготовку на следующей операции необходимо обязательно подвергнуть термической обработке для уменьшения зерна и снятия внутренних напряжений получаемых на заготовительной операции, а так же достигается соответствующая твердость.

На токарной операции заготовку центруют.

На последующей токарной операции заготовку точат с припуском 2 мм на сторону под ультразвуковой контроль.

На контрольной операции проводят ультразвуковой контроль.

На следующей токарной операции заготовку с двух установов точат с припуском под шлифовку.

На вертикально-фрезерной операции, в УДГ фрезеруется шестигранник.

На контрольной операции проводят цветную дефектоскопию.

На термической операции азотируют шейку o32h6 на глубину h=0,5−0,7 мм с достижением твердости 850−1050 НV.

На круглошлифовальной операции шлифуется шейка штока.

На контрольной операции производится контроль всех размеров полученных на предыдущих операциях.

На слесарной операции устраняются острые кромки, сборка узла.

Представим базовый технологический процесс в виде таблицы 5.1.

Таблица 5.1 — Сводная таблица операций базового технологического процесса

Анализируя технологический процесс можно сказать, что механическая обработка включает в себя практически весь ряд групп станков. Универсальное оборудование заменим на станки с ЧПУ, что позволит сократить основное время и исключить человеческий фактор в процессе обработки.

6 Выбор способа получения заготовки Основным условием рациональной технологии есть максимальное приближение форм и точности заготовок к форме готовой детали. Выбор заготовки в большинстве случаев определяет технологию механической обработки.

Вид заготовки устанавливается вследствие анализа чертежа детали, ее материала и технических требований к изготовлению, объема выпуска, габаритов и массы, на основании технико-экономического сравнения нескольких вариантов.

Данную деталь можно получать следующими способами:

свободная ковка на молоте;

штамповка на КГШП.

Исходя из маршрута технологического процесса заводского варианта заготовкой для детали «Вал» является поковка кованная на молоте o45 и длиной 505 мм.

Определим коэффициент использования материала и заготовки из пруткового проката. Для определения коэффициентов использования материала и заготовки определяется масса заготовки по формуле:

где Vз — объем заготовки (прутка);

=7,85*10^-3 кг/см³— плотность материала.

где R=2,25 см — радиус цилиндрической поверхности поковки:

Н=50,5 см — длина заготовки.

802,7 см³,

6301 г =6,3 кг.

Коэффициент использование заготовки определяется по формуле:

где — коэффициент использования заготовки;

— масса детали;

— масса заготовки.

.

Коэффициент использования материала определяется по формуле:

где — коэффициент использования материала;

— масса отходов, для поковки из стали — 15;

Предлагается заменить данный способ получения заготовки на поковку штампованную на КГШП.

Штамповкой изготавливают поковки цилиндрические сплошные гладкие и с уступами (штоки, оси, валы, колонны, цапфы, и т. д.); прямоугольного сечения гладкие и с уступами (платы, пластины, штамповые кубки, вкладыши); со смешанными сечениями сплошные с уступами и с расположением отдельных частей в одной, двух, трех и более плоскостях (коленчатые валы и др.); цилиндрические полые гладкие и с малыми уступами (диски, фланцы, колеса, муфты и т. д.); цилиндрические полые гладкие и с большими уступами при большом отношении длины к размеру сечения (барабаны, полые валы, цилиндры); с кривой осью (крюки, бугели, скобы, днища).

Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.

Исходные данные для расчета:

Масса поковки — 4,7 (расчетная):

расчетный коэффициент К_р = 1,4; [л3. прил.3]

Класс точности — Т3; [л3. прил.1]

Группа стали — М2; [л3. табл.1]

Степень сложности — С1; [л3. прил.2]

Конфигурация поверхности разъема штампа П (плоская); [л3. табл.1]

Исходный индекс — 10; [л3. табл.2]

Припуски и кузнечные напуски:

Дополнительные припуски, учитывающие:

смещение по поверхности разъема штампа — 0,4 мм; [л3. табл.4]

отклонение от плоскостности и прямолинейности — 0,8 мм [л3. табл.5]

Штамповочный уклон на наружной поверхности — не более 5, на внутренней — не более 7.

Размеры поковки и их допускаемые отклонения:

Рассчитываем размеры поковки в мм:

диаметр 32 + (2,6+0,4)· 2 = 38 мм;

длина 493 + 3+3 = 500 мм;

Радиус закругления наружных углов — 1,0 мм. [л3. табл.7]

Таблица 6.1 — Расчет размеров поковки

Рассчитываем массу заготовки по выше приведенным формулам,

566 см³,

4443 г = 4,4 кг.

Коэффициент использование заготовки определяется по формуле:

Коэффициент использования материала определяется по формуле:

Сравнив, коэффициент использования заготовки и коэффициент использования материала для разных способов получения заготовки видим, что коэффициенты при получении заготовки методом штамповки на КГШП выше, чем при изготовлении ее методом ковки на молотах. Экономично выгодным будет метод получения заготовки штамповка на КГШП.

Себестоимость заготовки получаемой ковкой на молоте определяем по формуле:

S_ЗАГ=

где С_i — базовая стоимость одной тонны материала, грн.

С_i=10 000 грн

Q — масса заготовки, кг;

q — масса готовой детали, кг К_т — коэффициент учитывающий точность штамповки.

К_т=1,1

К_м — коэффициент учитывающий влияние материала.

К_м=1,22

К — коэффициент учитывающий группу серийности.

К=1,3

К_н — коэффициент учитывающий группу сложности.

К_н=1,1

К_в — коэффициент учитывающий массу штамповки.

К_в=0,98

S_отх — цена одной тонны отходов, грн.

S_отх=900 грн.

S_заг= = 115 грн.

Себестоимость заготовки получаемой штамповкой определяем по той же формуле, но с другими коэффициентами: К_т=1, К_м=1,22, К=0,95, К_н=1,1, К_в=0,98, тогда

S_заг= =53 грн Окончательное обоснование проведем подсчитав экономический эффект от метода получения заготовки штамповкой:

Э_з=(S_заг1 — S_заг2) N

где S_заг2 — стоимость заготовки кованной на молотах грн,

S_заг1 — стоимость штампованной заготовки грн,

N — годовой объем выпуска.

Эз=(115−53)300 = 18 600 грн.

7. Разработка оптимального варианта маршрутного технологического процесса Существует множество способов обработки поверхностей, обеспечивающих одинаковые требования к обрабатываемым поверхностям, но существенно отличающиеся по себестоимости и поэтому рациональны в различных типах производства. В процессе обработки к детали предъявляется ряд технических требований по точности, чистоте обработки, взаимному расположению поверхностей, механическим свойствам материала.

7.1 Анализ и обоснование схемы базирования и закрепления заготовки Одной из основных погрешностей, что вызывают брак, есть погрешность установки заготовки на столе станка:

где ?_б— погрешность базирования;

?_З — погрешность закрепления;

?_пр — погрешность приспособления.

Рассмотрим возможную погрешность базирования заготовки на токарной с ЧПУ операции 025.

На данной операции с двух установов точится заготовка под ультразвуковой контроль (УЗК).

Наиболее рациональной схемой базирования — в центрах, левый центр плавающий и правый вращающийся (рисунок 7.1). Левый торец — опорная база, лишает заготовку одной степени свободы, перемещение вдоль оси заготовки. Базирование в центрах позволит реализовать двойную направляющую базу (скрытая база — ось), которая лишит двух перемещений и двух вращений.

Погрешность базирования на технологический размер 300⁺² мм сводится к нулю та как совпадает технологическая и измерительная базы, следовательно Е_б=0. После переустановки заготовка будет точится на проход, следовательно погрешность для размера 193 рассматриваться не будет.

Рисунок 7.1 — Схема базирования на токарной с ЧПУ операции Рассмотрим возможную погрешность базирования заготовки на вертикально-фрезерной с ЧПУ операции 040.

На данной операции с 6 позиций фрезеруются грани. Заготовка зажимается в призмах с упором по правому торцу, благодаря чему лишается пяти степеней свободы (рисунок 7.2). Вакантной остается одна связь — вращение вокруг оси заготовки. При данной схеме базирования погрешность на выполнение размера 27 будет определятся как

Е_б= 0,5ТD ()= 0,5*0,039(=0,04 мм что меньше допуска на получаемый размер 27_-0,52 мм, 520>40 мкм.

Погрешность базирования для размера 74 сведется к нулю, так как совпадет технологическая и измерительная базы, Е_б=0.

Рисунок 7.2 — Схема базирования на операции 040 — вертикально-фрезерная с ЧПУ Рассмотрим возможную погрешность базирования заготовки на круглошлифовальной операции 055.

На операции с двух установов шлифуют шейку штока.

Для данной операции наиболее рациональной схемой базирования является базирование в жестких центрах (рисунок 7.3). Данная схема предусматривает двойную направляющую и опорную базу, в следствии чего заготовка будет лишена пяти степеней вращения, вакантной остается одна связь вращение вокруг оси заготовки. На данной операции линейные размеры (шлифовка торцев) не выполняется следовательно погрешность базирования рассматривать не будем. Для диаметральных размеров погрешность базирования сведется к нулю, так как базирование происходит в двух жестких центрах.

Рисунок 7.3 — Схема базирования на вертикально-фрезерной с ЧПУ операции

7.2 Составления вариантов технологического процесса и выбор оптимального Для удобства представим разбитый на этапы технологический процесс в виде таблицы 7.1. Поверхности пронумерованы на рисунке 1.5.

Составленная таблица представляет матрицу технологического процесса, на основании которой можно определить с каких этапов состоит технологический процесс и спроектировать укрупненные операции.

7.3 Выбор металлорежущего оборудования Операция 025 — токарная с ЧПУ.

Выбор металлорежущего станка.

На производстве деталь обрабатывается на универсальном токарно-винторезном станке 16К20, но его применение было бы не рационально, так как он не имеет систему ЧПУ и соответственно процесс обработки был трудоемкий.

Данное оборудование было выбрано с учётом следующих показателей:

— технологические методы обработки поверхностей:

для обработки вышеуказанных поверхностей был рассмотрен перечень токарных станков, проанализировав, был выбран станок модели 16К20Ф3 (с удлиненной станиной), который оснащен системой ЧПУ [4], с 32;

— мощность двигателя:

станок данной модели оснащён 11 кВт двигателем, которого достаточно дляточения поверхностей вала;

— габариты рабочего пространства:

данное оборудование позволяет обрабатывать заготовки диаметром — до 215 мм, и длинной — до 1500 мм, что позволит установить вал;

— тип производства:

при мелкосерийном производстве преимущество отдается универсальному оборудованию с ЧПУ, таким оборудованием является станок модели 16К20Ф3;

— установленное количество инструментов:

станок позволяет установить шесть инструментов, чего достаточно для осуществления обработки поверхностей вала.

Основные технические характеристики токарного станка модели 16К20Ф3 следующие:

1) наибольший диаметр обрабатываемой заготовки над

станиной — 500 мм, над суппортом — 215 мм;

2) наибольшая длина обрабатываемой заготовки — 1500 мм;

3) шаг нарезаемой метрической резьбы 0,5−112 мм;

4) частота вращения шпинделя 10 2000 мин^-1;

5) подача: продольная 0,012,8 мм/об (бесступенчатая);

поперечная 0,0050,14 мм/об (бесступенчатая);

6) мощность электродвигателя привода главного движения — 11 кВт.

Операция 040 — вертикально-фрезерная с ЧПУ.

На данной операции обрабатываться грани.

Для обработки поверхностей были рассмотрены два вертикально-фрезерные станка 6Р11 и 6Р11Ф3−1, проанализировав, был выбран станок модели 6Р11Ф3−1, так как станок с ЧПУ позволит уменьшить время обработки и соответственно удешевит себестоимость детали, а так же исключить человеческий фактор. [4], с 51;

— мощность двигателя:

станок данной модели оснащён 5,5 кВт двигателем, которого достаточно для обработки поверхностей вала;

— габариты рабочего пространства:

станок имеет размер рабочей поверхности стола 250×1000, что позволит установить приспособление с заготовкой;

— тип производства:

при мелкосерийном производстве преимущество отдается универсальному оборудованию с ЧПУ, таким оборудованием является станок модели 6Р11Ф3−1;

— установленное количество инструментов:

станок позволяет установить один режущий инструмент, чего достаточно для осуществления обработки граней.

Основные технические характеристики вертикально-фрезерного станка с ЧПУ модели 6Р11Ф3−1 следующие:

Размеры рабочей поверхности стола, мм 250×1000;

Наибольшие перемещения стола, мм:

продольное 630;

поперечное 300;

вертикальное 350;

Перемещение гильзы со шпинделем, мм 60;

Внутренний конус шпинделя 7:24;

Число скоростей шпинделя 16;

Частота вращения шпинделя, об/мин 50−1600;

Число подач стола, мм/мин

продольная и поперечная 35−1020;

вертикальная 14−390;

Мощность электродвигателя главного привода, кВт 5,5;

Габаритные размеры, мм 1480×1990×2360;

Масса, кг 2360.

Операция 055 — круглошлифовальная.

На производстве «Шток» обрабатывается на станке 3М174, но его применение было бы не рационально, так как он имеет довольно больше размерами стола, и имеет большую мощность. Поэтому принимаем станок 3М153.

Данное оборудование было выбрано с учётом следующих показателей:

— технологические методы обработки поверхностей:

Для обработки вышеуказанных поверхностей был рассмотрен перечень круглошлифовальных станков, проанализировав, был выбран станок модели 3М153, с 32;

— мощность двигателя:

Станок данной модели оснащён 7,5 кВт двигателем, которого достаточно для шлифования;

— габариты рабочего пространства:

Данное оборудование позволяет обрабатывать заготовки диаметром — до 140 мм, и длинной — до 500 мм, что позволит установить шток. Наибольший диаметр шлифования — 50 мм, что также позволит обработать максимальную диаметральную поверхность вала;

— тип производства:

При мелкосерийном производстве преимущество отдается универсальному оборудованию, таким оборудованием является станок модели 3М174Е (полуавтомат);

— установленное количество инструментов:

Станок позволяет установить один шлифовальный круг, чего достаточно для осуществления обработки с двухо установов всех поверхностей.

Паспортные данные станка 3М153:

— тип компоновки станка — А;

— диаметр обрабатываемой заготовки — до 400 мм;

— наибольшая длина обрабатываемой заготовки — 500 мм;

— наибольшее перемещение:

наибольшее — 500 мм;

на одно деление лимба — 0,0025−0,05 мм;

— частота вращения заготовки: 20−180 об/мин;

— частота вращения круга: 1900 об/мин;

— мощность электродвигателя главного движения 7,5 кВт;

— габаритные размеры:

длина 2700 мм;

ширина 2540 мм;

высота 1950 мм;

масса 4000 кг;

7.4 Обоснование выбора станочного оборудования, металлорежущего и измерительного инструмента Операция 025 — токарная с ЧПУ.

Для токарной операций применяем следующие виды технологической оснастки:

центр плавающий А-1−5-У ЧПУ ГОСТ 2576–79;

центр вращающийся А-1−7-У ЧПУ ГОСТ 8742–75;

патрон поводковый МН4050−62 ГОСТ 24 351–80;

резцы PERBR2525L12 Т5К10 ГОСТ 20 872–80:

в качестве мерительного инструмента применяем штангенциркули ШЦ-I-125−0,1, ШЦ-II-320−0,1, ШЦ-II-600−0,1 ГОСТ 166–89.

Операция 040 — вертикально-фрезерная с ЧПУ.

В качестве станочного приспособления применяем — приспособление специальное;

Режущий инструмент — фреза 1256−0258 Р6М5 ГОСТ 17 026–71;

Для контроля шестинранника применяем — штангенциркули ШЦ-I-125−0,1

ГОСТ 166–89;

Операция 055 — круглошлифовальная.

В качестве станочного приспособления применяем жесткий центр А-1−4-У ГОСТ 2573- 85, хомутик ГОСТ 7107–79.

Режущий инструмент — шлифовальный круг ПП 400×40 24АМ20 СМ2−3-К1- 40м/с 2 кл, А ГОСТ 2424–83 (круг типа ПП D = 400 мм, H = 40 мм, d = 32 мм, из титанистого электрокорунда марки 24А, твердостью СМ12, структурой — 3, на керамической связке, с. 242 — 258.

Для контроля шейки штока в мелкосерийном производстве применяют микрометр 25−50 ГОСТ 6507–90.

8 Разработка операционной технологии

8.1 Расчет припусков на механическую обработку Выполним расчет припусков и определим размеры на обработку наружной цилиндрической поверхности o32h6 по методу профессора Кована В.М.

Данный расчет был проведен на ЭВМ и подшит в приложениях. Расчет производится по методу Кована.

Расчетная формула для определения величины припуска наружной цилиндрической поверхности имеет вид:

где R_z-1 — величина микронеровностей поверхности получаемых на предыдущей операции (переходе);

Т_i-1 — глубина дефектного слоя поверхности полученного на предыдущей операции (переходе);

— величина пространственного отклонения формы поверхности полученной на предыдущей операции (переходе);

— погрешность установки на выполняемой операции (переходе).

Составляющие выше упомянутой формулы табличные значения, кроме, которая определяется как

=493*0,08=40 мкм,

определяется в процентном соотношении от следовательно

где k_у=0,04−0,06, в зависимости от перехода. Определим для каждого из переходов

=40*0,06= 3 мкм.

=40*0,05= 2,5 мкм.

=40*0,05= 2,5 мкм.

=40*0,04= 2 мкм.

Исходные данные для расчета припусков на ЭВМ приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 Исходные данные

8.2 Расчет режимов резания Операция 025 — токарная с ЧПУ Точение цилиндрической ступени штока o35 начерно.

Исходные данные:

Рекомендации для черновой обработки приведены в таблице 11, с.271: для обрабатываемого материала стали 30Х13 ГОСТ 4543–71, материала рабочей части РИ Т5К10 рекомендуются режимы резания:

глубина резания t= мм;

подача S=1,0 мм/об — допустимая подача с учетом таких поправочных коэффициентов;

K_Sd=0,9 — сечение державки;

K_SN=1,0 — прочность режущей части;

K_SM=1,25 — механические свойства обрабатываемого материала;

K_SY=0,9 — схема установки;

K_SP=1,0 — состояние поверхности;

K_S=1,0 — геометрия резца.

S = 0,9*(0,9*1,0*1,25*0,9*1,0*1,0) =1,0 мм/об;

Стойкость РИ Т = 60 мин;

Количество проходов і = 1.

Скорость резания определяем по формуле Выбираем значения коэффициентов и показателей степеней:

Cv= 340, x= 0,15, y= 0,45, m= 0,2;

Kv=Kmv Kпv Киv=1,0 0,8 1,0 = 0,8.

Частоту вращения шпинделя определим по формуле

(1)

n= =1089 об/мин Принимаем частоту вращения по паспорту n_пр= =1000мин^-1, тогда фактическая скорость будет определятся по формуле

(2)

V_ф= = 119 м/мин Силу резания определяем по формуле Выбираем значения коэффициентов и показателей степеней по таблице 22, с.273

Cp= 300, x= 1,0, y= 0,75, n=-0,15;

Kp= Kмp= 1.

Pz= 10*300*1,5^1.0 *1,0^0.75 *119^-0,15 *1,0 = 1130 Н Мощность резания определяем по формуле

N== = 2,1 кВт Паспортная мощность составляет 11 кВт, соответственно обработка осуществима (?N_ст > N_рез, 0,8*11 кВт>2,1 кВт, 8,8 > 2,1 кВт) Рассчитываем основное время обработки ступени o35 по формуле Т_о= і (3)

где L = 493 мм — длина обработки; l_вр= 2 ммвеличина врезания, l_пер= 2 мм — величина перебега; n = 1000 об/мин — частота вращения шпинделя; S = 1,0 мм/об — подача; і - количество проходов.

Т_о= = 0,49 мин.

Операция 040 — вертикально-фрезерная с ЧПУ Вертикально-фрезерная операция состоит из шести позиций на которых обрабатывается шестигранник.

Рассчитаем аналитическим методом фрезеровку лыски шестигранника Глубина резания равна t= 10 мм. Ширина фрезерования равна В=2 мм.

По табл.33 определяем подачу на один зуб фрезы S_Z. Для обработки стали фрезой, оснащенной Р6М5, принимаем подачу S_Z=0,06мм/зуб (с учетом корректировок).

Определяем скорость резания по формуле:

V =

где C_V= 22,5, g= 0,35, x= 0,21, y= 0,48, u= 0,03, p= 0,1 m =0,27 — коэффициенты и показатели в формуле скорости резания табл.39, с.286;

D = 12 — диаметр фрезы, мм;

Т = 90 — стойкость режущего инструмента, мин табл.40, с.290;

К_V — поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания и определяется по формуле с.282:

К_V = ККК где К — поправочный коэффициент, учитывающий влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала;

К = 1,0 — коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки на скорость резания табл.5;

К = 0,65 — коэффициент, учитывающий влияние инструментального материала на скорость резания табл.6.

Коэффициент К рассчитываем по формуле табл.1:

К_MV = К (750/?_В)ⁿ_v

где К = 1,0 — коэффициент, характеризующий группу стали по обрабатываемости табл.2;

n_V = 1,0 — показатель степени табл.2.

Тогда К_MV = 1,0· (750/930)^1,0 = 0,81.

По формуле (2) получим К_V = 0,81· 1,0·0,65 = 0,53

С учётом поправочных коэффициентов определяем скорость резания:

V = 32 м/мин.

Определяем частоту вращения шпинделя по формуле (1),

n = = 849 (об/мин).

Корректируем значение частоты вращения шпинделя с паспортом станка n=800об/мин. С учётом принятой частоты скорость резания определяем по формуле (2).