Разработка технологичного процесса изготовления вала ступенчатого
1. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
1.1 Анализ служебного назначения детали
Вал ступенчатый предназначен для передачи крутящего момента с шестерни на колесо посредством шпонки. Данный вал работает в редукторе крана для привода лебедки.
Нагрузки – неравномерные.
Условия смазки - удовлетворительные.
Условия работы – полевые.
1.2 Физико-механические характеристики материала
Деталь изготовлена из стали 45 по ГОСТ 1050-74 и обладает следующими характеристиками
Химический состав:
| Марка стали | С | Si | Mn | Cr | Ni |
| Содержание элементов в % | |||||
| 45 | 0,42-0,50 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | ≤0,25 | ≤0,25 |
Такая сталь обладает следующими механическими свойствами:
- временное сопротивление при растяжении увр=598 МПа,
- предел текучести ут=363 МПа,
- относительное удлинение д=16 %,
- ударная вязкость ан=49 Дж/м2,
- среднее
значение плотности:
- дельная
теплопроводность:
680 Вт/(
)
- коэффициент линейного расширения б=11,649*106 1/Сє
Сталь 45 среднеуглеродистая сталь конструкционная сталь, подвергаемая закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Такие стали обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для вала требуется более высокая поверхностная твердость, следовательно, после закалки его подвергают отпуску.
1.3 Классификация поверхностей детали
| Вид поверхности | № поверхности |
| Исполнительные поверхности | 14, 16 |
| Основные конструкторские базы | 2, 8, 12 |
| Вспомогательные конструкторские базы | 3, 5, 6, 9, 13, 14, 16 |
| Свободные поверхности | 1, 4, 7, 10, 11, 15, 17 |
1.4 Анализ технологичности детали
| № поверхности | Вид поверхности | JТ | Ra, мкм | ТТ Технические условия |
| 1 | Плоская |
h |
12,5 | |
| 2 | Плоская | h7 | 1,25 | |
| 3 | Плоская | h8 | 2,5 | |
| 4 | Плоская |
h |
12,5 | |
| 5 | Плоская | h7 | 1,25 | |
| 6 | Плоская | h8 | 2,5 | |
| 7 | Плоская |
h |
12,5 | |
| 8 | Цилиндрическая | k6 | 0,63 | |
| 9 | Цилиндрическая | n7 | 1,25 | |
| 10 | Цилиндрическая |
h |
12,5 | |
| 11 | Цилиндрическая |
h |
12,5 | |
| 12 | Цилиндрическая | k6 | 0,63 | |
| 13 | Цилиндрическая | n7 | 1,25 | |
| 14 | Плоская | N9 | 3,2 | |
| 15, 17 | Плоская |
h |
6,3 | |
| 16 | Плоская | N9 | 3,2 |
1.4.1 Качественная оценка технологичности
а) Показатель технологичности заготовки.
Коэффициент обрабатываемости материала резанием Коб=1
б) Простая конструкция детали (отсутствие сложных фасонных поверхностей) позволяет использовать при её производстве унифицированную заготовку.
в) Габаритные размеры детали и ее использование позволяет использовать рациональные методы получения заготовки, такие как: прокат, штамповка, литье.
г) С учётом требований к поверхностям детали (точности, шероховатости), а также их тех назначения окончательное формирование поверхностей детали (ни одной) на заготовительной операции невозможно.
д) Обеспечение нужной шероховатости возможно стандартными режимами обработки и унифицированным инструментом.
е) Данная сталь способна легко подвергается ТО.
1.4.2 Показатели технологичности конструкции детали в целом
1. Материал не является дефицитным, стоимость приемлема.
2. Конфигурация детали простая.
а) Конструкционные элементы детали универсальны
б) Размеры и качество поверхности детали имеют оптимальные требования по точности и шероховатости.
в) Конструкция детали обеспечивает возможность использования типовых ТП ее изготовления.
г) Возможность обработки нескольких поверхностей с одного установа имеется:
д) С учётом требований к поверхностям детали (точности, шероховатости), а также их тех назначения окончательное формирование поверхностей детали (ни одной) на заготовительной операции невозможно. Невозможна обработка на проход.
е) Конструкция обеспечивает высокую жесткость детали.
ж) Технические требования не предусматривают особых методов и средств контроля.
1.4.3 Показатели технологичности базирования и закрепления
а) Заготовка устанавливается удобно для обработки
б) Во время механической обработки единство баз соблюдается.
1.4.4 Количественная оценка технологичности
а) Коэффициент точности обработки
КТО=1-
,
где
-cредний
квалитет поверхностей
детали.
,
где ni – количество поверхностей с i квалитетом;
JTi – квалитет.
А=
.
КТО=1-
=
0,901 .
б) Коэффициент средней шероховатости поверхности детали
КТШ=1-
,
=
,
=5,456.
КТШ=1-
=0,817.
2. ВЫБОР ТИПА ПРОИЗВОДСТВА И ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ
2.1 Рассчитаем массу данной детали
q=
,
V=789700 мм3
m=789700·7814·10-9=6,170 кг.
2.2 Анализ исходных данных
- масса данной детали составляет 6,170 кг.;
- объем выпуска изделий 1100 дет/год;
- режим работы предприятия изготовителя – двухсменный;
- тип производства – среднесерийный.
Основные характеристики типа производства
- объем выпуска изделий - средний;
- номенклатура – средняя;
- оборудование – универсальное;
- оснастка – универсальная, специализированная;
- степень механизации и автоматизации – средняя;
- квалификация рабочих – средняя;
- форма организации технологического процесса – групповая переменно-поточная;
- расстановка оборудования – по типам станков, предметно-замкнутые участки;
- виды технологических процессов – единичные, типовые, групповые, операционные;
- коэффициент закрепления операции
10<KЗ<20 (на одном рабочем месте)
Объем партий, запуск деталей
а – периодичность запуска деталей
254- число ходов
- метод определения операционных размеров – расчетно-аналитический;
- метод обеспечения точности – оборудование, настроенное по пробным деталям.
3. ВЫБОР МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ И ЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
3.1 Получение заготовки литьем в оболочковые формы
Исходя из требований ГОСТ 26.645-85, назначаем припуски и допуски на размеры детали и сводим эти данные в таблицу 1.
В зависимости от выбранного метода принимаем:
класс точности размеров и масс – 10
ряд припусков – 4.
Припуски на размеры даны на сторону. Класс точности размеров, масс и ряд припусков выбираем по таблице 2.3 [1], допуски по таблице 2.1 [1] и припуски по таблице 2.2 [1].
Таблица №1
| Размеры, мм | Допуски, мм | Припуски, мм | Расчет размеров заготовки, мм | Окончательн. размеры, мм |
| Ш55 | ±2,4 | 3,8 | Ш55+(2.3,8)±2,4= Ш62,6±2,4 | Ш63±2,4 |
| Ш65 | ±2,8 | 4,2 | Ш65+(2.4,2)±2,8= Ш73,4±2,8 | Ш73±2,8 |
| Ш75 | ±2,8 | 4,2 | Ш75+(2.4,2)±2,8= Ш83,4±2,8 | Ш83±2,8 |
| 15 | ±1,8 | 3,4 | 15+(2.3,4)±1,8= 21,8±1,8 | 22±1,8 |
| 70 | ±2,8 | 4,2 | 70+4,2±2,8= 74,2±2,8 | 74±2,8 |
| 275 | ± 4 | 5 | 275+2.5±4=285±4 | 285±4 |
2) Литейные уклоны назначаем согласно ГОСТ 26.645-8, исходя из конструктивных особенностей заготовки. Согласно рекомендации, для упрощения изготовления литейной модели принимаем их одинаковыми и величиной 3°.
3) Литейные радиусы закруглений наружных углов принимаем равными R=3 мм.
Литейные радиусы закруглений внутренних углов определяем по формуле R=0,4∙h.
R1= R2= R3=0,4∙10 мм=4 мм
4) Определяем коэффициент использования материала Км, по формуле:
где m – масса детали, кг;
M – масса заготовки, кг.
Рассчитаем массу заготовки:
, кг
где: г – плотность материала, кг/м3. Для стали: г=7814 кг/м3;
Vз – объем заготовки, мм3 .
Объем заготовки определяем как алгебраическую сумму объемов простейших тел составляющих заготовку:
мм3
,
мм3
Mзаг.= 1,212·106Ч7814Ч10-9= 9,47 кг, mдет.= 8,055·105Ч7814Ч10-9 = 6,29 , кг.
Определим коэффициент использования материала:
.
Данный метод литья удовлетворяет задаче получения отливки с контуром приближающемся к контуру детали; т.е. с коэффициентом использования Км близким к 1.
3.2 Получение заготовки штамповкой на кривошипных горячештамповочных прессах
1) По таблице 3.1.3 [1] выбираем:
а) Оборудование – пресс с выталкивателем;
б) Штамповочные уклоны: 5°;
в) Радиусы закруглений наружных углов, при глубине полости ручья:
10…25 мм - r = 2,5мм,
25…50 мм - r = 3мм;
Радиусы закруглений внутренних углов, больше наружных углов в 3…4 раза.
2) По таблице 3.4 [1] назначаем допуски и припуски на обработку на сторону и сводим их в таблицу 2.
Таблица № 2
| Размеры, мм | Допуски, мм | Припуски, мм | Расчет размеров заготовки, мм | Окончательн. размеры, мм |
| Ш55 |
+2,4 -1,2 |
3,1 | Ш55+(2.3,1)= Ш61,2 |
Ш 61 |
| Ш60 |
+2,4 -1,2 |
3,1 | Ш60+(2.3,1)= Ш66,2 |
Ш 66 |
| Ш65 |
+2,4 -1,2 |
2,8 | Ш65+(2.2,8)= Ш70,6 |
Ш 71 |
| Ш75 |
+2,4 -1,2 |
2,8 | Ш75+(2.2,8)= Ш80,6 |
Ш 81 |
| 15 |
+2,1 -1,1 |
2,8 | 15+(2.2,8)= 20,6 |
21 |
| 35 |
+2,1 -1,1 |
2,8 | 35+2,8= 37,8 |
38 |
| 50 |
+2,1 -1,1 |
2,8 | 50+2,8= 52,8 |
53 |
| 70 |
+2,4 -1,2 |
2,8 | 70+2,8= 72,8 |
73 |
| 275 |
+3,0 -2,0 |
3,2 | 275+(2.3,2)= 281,4 |
281 |
3) Рассчитаем площадь поковки в плане [1]:
Fпок.п =18861, мм2
4) Определяем толщину мостика для облоя [1]:
, мм
Коэффициент Со принимаем равным 0,016.
5)По таблице 3.2.2 выбираем остальные размеры облойной канавки [1]:
а) Усилие пресса – 16МН;
б) ho = 2,2 мм;
в) l = 5 мм;
г) h = 6 мм;
д) R1 = 20 мм.
6) Рассчитать объем заготовки [1]:
Vзаг.=Vп+Vу+Vо , мм3
где Vп – объем поковки, рассчитываемый по номинальным горизонтальным размерам чертежа;
Vу – объем угара, определяемый в зависимости от способа нагрева;
Vо – объем облоя при штамповке.
а) Объем поковки:
мм3
б) Объем угара Vу принимаем равным 1% от Vп.
Vу=10530 мм2
в) Объем облоя Vо:
Vо=о.FМ.(Рп + о . р . l),
где о – коэффициент, учитывающий изменение фактической площади сечения
получаемого облоя по сравнению с площадью сечения мостика; о=2.
Fм - площадь поперечного сечения мостика;
Рп – периметр поковки;
FM=l .ho= 5.2,2= 11 мм2
Рп= 724 мм.
Подставим полученные данные в формулу:
Vо= 2.11Ч(724+2.3,14.5) = 16618,8 мм3;
г) Объем поковки:
Vзаг.=1,053·106+10530+16618,8=1080148,8 мм3.
Определим параметры исходной заготовки для штамповки.
д) Диаметр заготовки:
,
мм
где m – отношение
;
1,25<<2,5.
Принимаю m=2.
мм.
По ГОСТ 2590-71
мм.
д) Длина заготовки:
, мм
г) Площадь поперечного сечения заготовки:
, мм2
7) Рассчитаем массу поковки:
=1080148,8.7814.10-9
=8,44 кг
8) Определим коэффициент использования материала:
9) Рассчитаем усилие штамповки:
,
МН,
где Dпр – приведенный диаметр,
Fп – площадь проекции поковки на плотность разъема штампа,
Bп.ср – средняя ширина поковки в плане,
ув - предел прочности штампуемого материала, ув=598 МПа [2]
Dпр=1,13
,
Fп=
,
Bп.ср=
.
Dпр =
мм
Fп=18861 мм2;
Bп.ср=18861/281=67 мм
,
МН
По расчетному усилию штамповки выбираем пресс с усилием 25 МН и примерной производительностью 180 шт/ч.
3.3 Технико-экономический анализ
Для окончательного выбора метода получения заготовки, следует провести сравнительный анализ по технологической себестоимости.
Расчет технологической себестоимости заготовки получаемую по первому или второму методу проведем по следующей формуле [1]:
Ст=Сзаг.. М + Cмех.. (М-m)-Сотх.. (M-m), руб.
где М – масса заготовки, кг;
m – масса детали, кг;
Сзаг – стоимость одного килограмма заготовок, руб./кг;
Cмех. – стоимость механической обработки, руб/кг;
Сотх – стоимость одного килограмма отходов, руб/кг.
Стоимость заготовки, полученной такими методами, как литье в песчаные формы и штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах, с достаточной для стадии проектирования точностью можно определить по формуле [1]:
Сзаг=Сот . hT . hC . hB . hM . hП , руб/кг,
где Сот – базовая стоимость одного килограмма заготовки, руб./кг;
hT – коэффициент, учитывающий точность заготовки;
hC – коэффициент, учитывающий сложность заготовки;
hB – коэффициент, учитывающий массу заготовки;
hM – коэффициент, учитывающий материал заготовки;
hП - коэффициент, учитывающий группу серийности.
Для получения заготовки по методу литья значения коэффициентов в формуле следующие [1]:
hT =1,03 – 2-ый класс точности;
hC =0,7 – 1-ая группа сложности получения заготовки;
hB =0,93 – так как масса заготовки находится в пределах 3…10,0 кг;
hM =1,21 – так как сталь углеродистая;
hП =0,77 – 2-ая группа серийности;
Базовая стоимость одного килограмма отливок составляет Сот = 0,29 руб.
Сзаг. = 0,29 . 1,03 . 0,7 . 0,93 . 1,21 . 0,77 =0,181 руб./кг
Определяем стоимость механической обработки по формуле:
Смех. = Сс + Ем . Ск, руб./кг;
где Сс = 0,495 – текущие затраты на один килограмм стружки, руб./кг [1];
Ск = 1,085 – капитальные затраты на один килограмм стружки, руб/кг [1];
Ем = 0,1 – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений выбираем из предела (0,1…0,2) [1].
Смех. = 0,495 + 0,1 . 1,085 = 0,6035 руб./кг
Стоимость одного килограмма отходов принимаем равной Сотх. = 0,0144 руб./кг.
Определим общую стоимость заготовки, получаемую по методу литья:
Ст = 0,181. 9,47 + 0,6035 . (9,47-6,29) – 0,0144. (9,47-6,29) = 3,587 руб.
Для заготовки, получаемой методом штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах, значения коэффициентов в формуле (9) следующие[1]:
Сзаг=Сшт . hT . hC . hB . hM . hП , руб/кг,
где hT =1 – 2-ой класс точности;
hC =0,75 – 1-ая группа сложности получения заготовки;
hB =0,87– так как масса заготовки находится в пределах 4…10 кг;
hM =1 –так как сталь углеродистая;
hП =1;
Базовая стоимость одного килограмма штамповок составляет Сшт = 0,315 руб./кг
Сзаг. = 0,315 . 1 . 0,75 . 0,87. 1 . 1 = 0,21 руб./кг
Определяем общую стоимость заготовки, получаемую штамповкой:
Ст = 0,21. 8,44 + 0,6035 . (8,44-6,29) –0,0144. (8,44-6,29) = 3,039 руб.
Таким образом, по технологической себестоимости наиболее экономичным является вариант изготовления детали из заготовки, полученной штамповкой.
Ожидаемая годовая экономия:
Эгод. = (СТ2 – СТ1) . N , руб.;
где N – годовая программа выпуска деталей, шт.;
Эгод. = (3,587– 3,039) . 110000 = 60280 руб.
Вывод: на основании сопоставления технологических себестоимостей по рассматриваемым вариантам делаем вывод о том, что для дальнейшей разработки следует выбрать метод получения заготовки штамповкой. В этом случае годовая экономия составит 60280 рублей.
3.4 Проектирование заготовки
Проектирование заготовки предложено на чертеже заготовки
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ
4.1 Разработка технологического маршрута обработки поверхностей
| № пов. | JT | Ra, мкм | Переходы |
| 1 | h14/2 | 12,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 10) Закалка ( JT 14; Ra 12,5) |
| 2 | h7 | 1,25 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) Шлифование предварит ( JT 8; Ra 1,25) |
| 3 | h8 | 2,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) |
| 4 | h14/2 | 12,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 10) Закалка ( JT 14; Ra 12,5) |
| 5 | h7 | 1,25 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) Исправление центровых фасок Шлифование предварит ( JT 8; Ra 1,25) |
| 6 | h8 | 2,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) |
| 7 | h14/2 | 12,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 10) Закалка ( JT 14; Ra 12,5) |
| 8 | k6 | 0,63 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) Исправление центровых фасок Шлифование предварит ( JT 8; Ra 1,25) Шлифование чистовое ( JT 6; Ra 0,63) |
| 9 | n7 | 1,25 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) Исправление центровых фасок Шлифование предварит ( JT 7; Ra 1,25) |
| 10 | h14/2 | 12,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Закалка ( JT 14; Ra 12,5) |
| 11 | h14/2 | 12,5 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Закалка ( JT 14; Ra 12,5) |
| 12 | k6 | 0,63 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) Исправление центровых фасок Шлифование предварит ( JT 8; Ra 1,25) Шлифование чистовое ( JT 6; Ra 0,63) |
| 13 | n7 | 1,25 | Обтачивание черновое ( JT 12; Ra 12,5) Обтачивание чистовое ( JT 9; Ra 1,25) Закалка ( JT 10; Ra 2,5) Исправление центровых фасокШлифование предварит ( JT 7; Ra 1,25) |
| 14, 16 | N9 | 3,2 | Фрезерование черновое (JТ 8; Rа 2,5) Закалка (JТ 9; Ra 3,2) |
| 15, 17 | h14/2 | 6,3 | Фрезерование черновое (JТ 12; Rа 3,2) Закалка (JТ 14; Ra 6,3) |
4.2 Разработка технологических схем базирования
На токарной черновой операции 010 используем явную опорную базу - торец 1, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На токарной черновой операции 020 используем явную опорную базу - торец 4, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На токарной чистовой операции 020 используем явную опорную базу - торец 1, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На сверлильной операции 030 используем явную опорную базу - торец 4, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На протяжной операции 040 используем явную опорную базу - торец 4, и скрытую двойную направляющую базу – ось детали 16. На зубофрезерной операции 050 используем явную опорную базу – торец 2, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На внутришлифовальной операции 080 используем установочную базу - торец 1, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На зубошлифовальной операции 090 используем явную опорную базу – торец 1, и скрытую направляющую базу – ось детали 16. На шлифовальной операции 100 используем установочную базу - торец 1, и скрытую направляющую базу – ось детали 16.
5. РАЗМЕРНЫЙ АНАЛИЗ В ОСЕВОМ НАПРАВЛЕНИИ
5.1 Размерные цепи и их уравнения
Составим уравнения операционных размерных цепей в виде уравнений номиналов. В общем виде это выглядит:
[A] = S xiЧAi , (5.1)
где [A] – номинальное значение замыкающего звена;
Ai - номинальные значения составляющих звеньев;
i – порядковый номер звена;
n – число составляющих звеньев;
xi – передаточные отношения, характеризующие расположение звеньев по величине и направлению. Для линейных цепей с параллельными звеньями передаточные звенья равны: xi = 1 (увеличивающие звенья); xi = -1 (уменьшающие звенья).
Уравнения замыкающих звеньев:
[Р] = -Ц25-1 + Д 20 - В15;
[М] = -Ф25-1 + Д20 – В15;
Составим уравнения замыкающих операционных припусков после проверки условий точности изготовления детали.
5.2 Проверка условий точности изготовления детали
Производим проверку размерной корректности звеньев, исходя из условия корректности:
A] <TAчерт, (5.2)
где A] – погрешность размера или пространственного отклонения, возникающая в ходе выполнения технологического процесса;
TAчерт -допуск размера или пространственного отклонения по чертежу;
w[Р] = ТЦ25-1 + ТД20 + ТВ15 = 0,128+0,17+0,08= 0,378;
Тч[Р] = 0,43;
0,43 > 0,378 - условие выполнено;
w[М] = ТФ25-1 + ТД20 + ТВ15 = 0,128+0,17+0,08 = 0,378;
Тч[М] = 0,43;
0,43> 0,378 - условие выполнено;
Вывод: условие корректности размерных звеньев цепи выполняется.
Составим уравнения замыкающих операционных припусков:
[Z105] = -Ж05+ Ж00;
[Z705] = М00 – Ж00+Ж05-М05;
[Z410] = И00 + З00– Ж00+Ж05-О10 ;
[Z510] = -Л00 +