Проектирование ТП изготовления валов

Проектирование ТП изготовления валов
Основное назначение вала – передача крутящего момента вдоль своей осевой линии и в большин-стве случаев поддержание вращающихся вместе с ним других деталей, посредством которых валом воспринимается и передается крутящий момент.
Валы различают по:
служебному назначению;
конструктивной форме;
размерам;
материалу.

бесступенчатые и ступенчатые;
цельные и пустотелые;
гладкие и шлицевые;
валы-шестерни;
Несмотря на это, при разработке технологического процесса изготовления валов приходится решать многие однотипные задачи. Поэтому целесооб-разно пользоваться типовыми процессами, которые созданы на основе классификации.
Наибольшее распространение имеют ступенчатые валы. Среди них 85% составляют валы длиной 150…1000 мм.
В общем машиностроении встречаются валы:
комбинированные в разнообразном сочетании.

Классификация ступенчатых валов

Вал ступенчатый

обладать высокой прочностью;
обладать хорошей обрабатываемостью;
обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений;
Поэтому валы в основном изготавливают из конструкционных и легированных сталей.
Материалы для изготовления валов должны:
должны подвергаться термической обра-ботке для повышения износостойкости.

Этим требованиям наиболее полно отвечают стали 35, 40, 45, 40Х, 50Х, 40Г2 и др.
Легированные стали по сравнению с конструкционными применяют реже ввиду их более высокой стоимости, а также повышенной чувствительности к концентрации напряжений.
Производительность механической обработки валов во многом зависит от:
вида материала;
размеров и конфигурации заготовки;
характера производства.

Способы получения заготовок
Отрезанием от горячекатаных или холодно-тянутых нормальных прутков заготовки получают:
в единичном и мелкосерийном произ-водстве;
при изготовлении валов с небольшим числом ступеней и незначительными перепадами диаметров.
После этого их сразу подвергают механи-ческой обработке.

В производстве с достаточно большим масш-табом выпуска, а также при изготовлении валов более сложной конфигурации со ступенями, значительно различающимися по диаметру, заготовки целесообразно получать методами пластического деформирования:
ковка;
штамповка;
периодический прокат;
обжатие на ротационно-ковочной машине.

Эти методы позволяют получать заготовки по форме и размерам наиболее близкие к готовой детали, что значительно повышает производительность механической обработки.
При механической обработке валов на предварительно настроенных и автоматизи-рованных станках точность заготовки также приобретает большое значение.
Заготовки, полученные методом радиального обжатия, отличаются малыми припусками и высокой точность.
Оригинальным процессом непрерывного изготовления заготовок ступенчатых валов является прокатка их на трехвалковых станах.

Схема радиального обжатия

Схема поперечно-винтовой прокатки вдоль переменного сечения по длине
на трехвалковых станах

ТП изготовления ступенчатых валов
ТП зависит от масштаба выпуска и конст-рукции вала, необходимости проведения термической обработки и ее вида.
шлицы;
зубчатые зацепления.
Из конструктивных элементов существенное влияние на структуру ТП оказывают:

Типовые технологические процессы механической обработки ступенчатых валов в серийном производстве

Типовые технологические процессы механической обработки ступенчатых валов в серийном производстве

Основными базами большинства валов являются поверхности его опорных шеек.
Однако использовать их в качестве технологических баз для обработки наружных поверхностей, как правило, затруднительно, особенно при условии сохранения единства баз, что очень важно при автоматизации ТП.
Поэтому на большинстве операций за технологические базы принимают поверхности центровых отверстий с обоих торцов заготовки.

Это позволяет обработать почти все наружные поверхности вала на единых базах с установкой его в центрах.
В связи с этим механическую обработку валов начинают с операции подготовки техноло-гических баз – подрезания (фрезерования) торцов и их зацентровки.
В зависимости от типа производства (единичное, серийное, крупносерийное) эту операцию можно производить как на токарных и револьверных станках, так и на центро-вальных и фрезерно-центровальных станках.

Схема размерных цепей, с помощью которых обеспечивается точность линейных размеров вала при торцовке и зацентровке заготовки на фрезерно-центровальном станке

токарных станках;
токарно-копировальных полуавтоматах;
горизонтальных многорезцовых полуавто-матах;
Наружные поверхности ступенчатых валов обтачивают на:
вертикальных автоматах;
токарных станках с ЧПУ.

Обработка вала на горизонтальном
многорезцовом станке

Схема наладки токарно-копировального
полуавтомата с гидрокопировальным суппортом

Обработка вала на вертикальном автомате

При обработке валов в центрах для выдерживания линейных размеров от постоянной базы рекомендуется применять плавающие передние центра с упором торца заготовки в упорное кольцо. Это позволит предотвращать погрешности по глубине зацентровки.
Обработку валов наиболее часто ведут при установке заготовок в центрах.
При обработке валиков с одной установки напроход по всей длине заготовки применяют специальные торцовые поводковые центра.

Схемы установки заготовок в центрах
с передним жестким центром

Схемы установки заготовок в центрах
с передним плавающим центром

Торцовые поводковые центры

Обработка шлицев на валах
Шлицевые соединения валов и втулок представляют собой многошпоночные соединения, у которых шпонки, называемые шлицами, или зубьями, выполнены за одно целое с валом и служат для передачи вращательных движений и крутящих моментов.
прямобочными;
эвольвентными.
По конструкции шлицы могут быть:

Шлицевое соединение с прямобочными шлицами можно выполнить с центрированием втулки:
по наружному диаметру вала;
по внутреннему диаметру вала.
Соединение с эвольвентными шлицами центрируют по профилю.
Шлицы нарезают:
фрезерованием;
строганием;
протягиванием;
холодным накатыванием.

Технологический процесс обработки шлицев зависит от метода центрирования шлицевого соединения и термической обработки.
В качестве технологических баз обычно ис-пользуют поверхности центровых отверстий.
Однако валы с короткими опорными шейками, к которым непосредственно выходят шлицы, нельзя устанавливать в центрах с хомутами, так как он не дает выхода червячной фрезе.
В этом случае шлицевой валик со стороны шпинделя базируется по шлифованной опорной шейке в специальной оправке с обратным корпусом.

Схема сквозного фрезерования шлицев с применением оправки с обратным конусом
У закаливаемых валов шлицы рекомендуется фрезеровать после предварительного шли-фования, а у незакаливаемых – после чисто-вого шлифования наружной поверхности.

Шлицы закаливаемых валов и центрируемые по наружной поверхности обрабатывают в такой последовательности:
фрезерование шлицев с припуском под шлифование боковых поверхностей;
чистовое шлифование боковых поверх-ностей шлицев после ТО и чистового наружного шлифования.
Обработка шлицев таких же валов, но неза-каливаемых, ограничивается только чистовым фрезерованием после чистового шлифования наружной поверхности.

Шлицы валов, центрируемых по поверхности внутреннего диаметра, обрабатывают в такой последовательности:
фрезерование шлицев с припуском под шлифование;
фрезерование канавок для выхода круга при шлифовании центрирующей поверх-ности по внутреннему диаметру (в случае, если канавки не обработаны на первой операции фрезой совместно со шлицами);
чистовое шлифование боковых поверх-ностей и центрирующей поверхности по внутреннему диаметру после термичес-кой обработки.

Прогрессивные методы образования прямобочных шлицев
Предварительное фре-зерование фасонными дисковыми фрезами и чистовое фрезерова-ние боковых поверх-ностей шлицев торцо-выми фрезами, осна-щенными пластинами из твердого сплава
а – предварительная обработка
б – чистовая обработка

(продолжение)
Прогрессивные методы образования прямобочных шлицев
Контурное шлицестрогание
Контурное шлицепротягивание

Накатывание пластическим деформированием без снятия стружки
(окончание)
Прогрессивные методы образования прямобочных шлицев
а – круглыми роликами;
б – рейками;
в – многороликовой головкой

Холодной накаткой в основном делают эвольвентные шлицы, так как для прямобочных шлицев значительно усложняется профиль рабочих поверхностей накатных роликов, что требует специального оборудования для их изготовления.
Уплотнение слоя металла при накатывании повышает прочность шлицевых валов.
Диаметр заготовки при накатывании меньше наружного диаметра детали и точность диаметра под накатку значительно выше точности диаметра под шлицефрезерование.

Схема накатывания шлицев планетарным методом
б – схема формирования шлицев при накатке
1 – траектория движения роликов;
а – схема движения роликов и заготовки
2 – заготовка;
3 – ролики

Обработка шпоночных пазов на валах
Шпоночные пазы в зависимости от их формы в основном обрабатывают:
Точность глубины шпоночных пазов и парал-лельность образующих их поверхностей от-носительно оси вала во многом зависят от выбора технологических баз для установки вала на станке.
пальцевыми фрезами;
дисковыми фрезами.

Максимальная точность обработки получается, если в качестве технологических баз используют поверхности центровых отверстий при установке вала в центрах.
Если в качестве технологических баз исполь-зуют наружные цилиндрические поверхности вала с установкой его на призмы, то добав-ляются погрешности установки, связанные с колебаниями диаметра вала.
Использование самоцентрирующих тисков до минимума уменьшает погрешность установки.

Схема базирования вала в неподвижной призме

Схема установки вала в самоцентрирующих тисках с подвижными призмами

Шпоночные пазы обрабатывают:
В последнем случае шпоночные пазы получаются высокого качества.
либо на обычных горизонтальных или вертикальных фрезерных станках;
либо на специальных станках, работаю-щих по маятниковому методу, снятием специальными двухзубыми пальцевыми фрезами небольших слоев металла за каждый рабочий ход.

Схемы фрезерования шпоночных пазов