Проектирование червячного вала

 

,     (1.1)

 

где :

tв-такт выпуска, мин;

F-месячный фонд времени односменной работы рабочего места, ч;

m-принятое число смен;

Кот-коэффициент, учитывающий простои  по организационно-техническим причинам;

Nмес-число изделий, запускаемых в производство, шт/мес;

tшт-штучное время, мин.

Планируемый годовой объем выпуска  данной детали – 1000 штук . Данный объем позволит выполнить все поступившие заказы и обеспечить потребителей необходимым количеством запасных частей.

На первом этапе проектирования тип производства может быть определен  в зависимости от массы детали и объема выпуска по таблице (1.8, [7]). При массе детали менее 20 кг (легкие детали) и годовом объеме выпуска от 501 до 5000 штук, тип производства – среднесерийный.

Объем партии:

 

,    (1.2)

 

где F – объем выпуска, a – количество дней, на которые должен быть запас деталей (периодичность запуска в днях), a = 5 дней; N – количество рабочих дней в году, примем N ≈ 240 дней.

Отсюда находим:

штук.

Тогда примем объем партии равным: деталь.

1.1.4 Анализ технологичности  детали

Правила обеспечения технологичности конструкции изделий регламентируются ГОСТ 14.201 – 83 и методическими рекомендациями МР186 – 85 .

Анализ технологичности конструкции  изделия направлен на повышение  производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении  необходимого качества.

Деталь “Вал червячный” представляет собой ступенчатую деталь без  центрального отверстия со шпоночной  канавкой, лысками для стопорения гаек, червячной и резьбовыми поверхностями. Вал обладает двухсторонней ступенчатостью (диаметральные размеры убывают  к концам вала), имеет средние  размеры и высокую точность исполнения поверхностей. Вал считается нежесткой деталью, так как отношение длины к среднему диаметру L/d>12 (L/d=577/45=12,8). Поэтому на чистовых токарных операциях и операциях чистового нарезания витков червяка из-за больших сил резания необходимо использовать базирование детали в центрах и с помощью люнета.

Обработка поверхностей на токарных операциях окончательно недопустима, так как при этом невозможно обеспечить требования чертежа по взаимному  расположению относительно общей оси  базовых поверхностей К и Л  и качеству поверхностного слоя диаметральных  и торцевых размеров детали.

Анализ технологичности данной детали позволяет сделать следующие выводы:

• конструкция детали состоит из стандартных и унифицированных конструктивных элементов (канавки для выхода шлифовального круга, резьбы, фаски и т.д.)
• физико-химические и механические свойства материала, жесткость детали, ее форма и размеры соответствуют требованиям технологии изготовления (включая процессы упрочения, коррозийной защиты и пр.), хранения и транспортирования и т.д.;
• показатели базовой поверхности (точность, шероховатость) детали обеспечивают точность установки, обработки и контроля (подробнее см. пункт 1.4);
• конструкция детали обеспечивает возможность применения типовых и стандартных технологических процессов ее изготовления;
• деталь предполагается обрабатывать в основном на станках токарной и сверлильной группы, следовательно, она имеет максимальное число поверхностей вращения и минимальное число изменений диаметра сечения (перепад диаметров между крепежным фланцем и шейкой конструктивно необходим и исключить его невозможно);
• конические переходы между ступенями вала и фаски назначены под обработку с учетом стандартных токарных проходных резцов с главным углом в плане j равным 30, 45, 60 и 90°;
• предусмотрен удобный подвод режущего инструмента к каждой из обрабатываемых поверхностей;
• габаритные размеры детали и точность их обработки соотнесены с возможностями станков с ЧПУ и станочных роботов.

К параметрам, ухудшающим технологичность  детали, следует отнести следующее:

• шпоночная канавка закрытого типа - обрабатывается концевой фрезой. Более технологичной была бы открытая канавка, при обработке которой увеличение производительности фрезерования обеспечивается за счет использования дисковой фрезы.
• червячная поверхность также является нетехнологичным элементом, так как операция нарезания витков червяка со снятием стружки производится, в основном, малопроизводительными методами.
• выступающие поверхности Н и П (см. чертеж детали) не позволяют обрабатывать цилиндрические поверхности вала без смены инструмента на токарных операциях, что увеличивает основное время обработки.

В результате можно сделать вывод, что конструкция детали в достаточной  мере технологична, за исключением  некоторых элементов, «улучшение»  технологичности которых приведет к утрате деталью своего прямого назначения.

1.1.5 Формулировка основных технологических задач

Технологические задачи охватывают требования к точности деталей по всем их параметрам и представляются в следующей последовательности:

1. Точность размеров

Самыми точными поверхностями  вала являются посадочные шейки под подшипники (Ø45k5), которые выполняются по 5-му квалитету. Вспомогательная база M для определения положения шестерни также выполнена по 5 квалитету (Ø50js5), наружный диаметр делительного червяка имеет 6-ой квалитет точности - поверхность (Ø68h6). Наружный и средний диаметры резьбовых соединений выполнены по 6-ой степени точности, характерной для резьб общего назначения. Боковые грани шпоночной канавки выполнены по 9-ому квалитету точности, а длина шпоночной канавки - по 15 квалитету. Размеры с неуказанными отклонениями выполняются по 14-му квалитету.

2. Точность формы

Наиболее точно регламентируется форма в продольном и поперечном сечениях у опорных шеек под подшипники качения. Отклонения от круглости и профиля продольного сечения составляют не более 0,0016 мм, то есть не превышают 0.5 допуска на диаметр. Требования по круглости и овальности для поверхности М не должны превышать 0,005 мм. К остальным поверхностям требования по точности формы не предъявляются. Следовательно, допуски формы этих поверхностей не выходят из поля допуска на соответствующий размер и не должны превышать 60% от поля допуска на размер этих поверхностей.

3. Точность взаимного расположения

Точность взаимного расположения цилиндрических поверхностей задана радиальным биением, а плоских поверхностей - торцевым биением относительно общей  оси базовых поверхностей КЛ. Допуски  радиального биения посадочных поверхностей под подшипники качения – не более 0.005 мм, допуск радиального биения по наружному диаметру для поверхности  червяка и допуск радиального  биения посадочной поверхности под  ведущую шестерню (поверхность М) – не более 0.008 мм. Допуски торцевого  биения буртиков вала: для правого  подшипника - не более 0.005 мм, для опорной  поверхности под шестерню - не более 0.005 мм.

Расположение оси симметрии  шпоночного паза относительно оси симметрии  наружной цилиндрической поверхности  определяется зависимым допуском симметричности с нулевым значением, то есть отклонения допустимы только за счет использования части допуска на действительный размер ширины шпоночного паза.

4. Шероховатость и физико-механические свойства поверхностей детали

Шероховатость базовых поверхностей под подшипники качения, посадочной поверхности под шестерню и торцевых поверхностей, сопрягаемых с торцом ведущей шестерни и правым подшипником, не должна превышать Ra=0,2 мкм. Шероховатость наружной поверхности червяка и боковых граней червячной поверхности - Ra = 0,4 мкм. Шероховатость посадочной поверхности под шпонку: по боковым граням - Ra = 3,2 мкм, по внутренней поверхности - Ra = 6,3 мкм. Все остальные поверхности выполняются с шероховатостью Ra 12.5 мкм, так как к ним не предъявляются особые требования по условиям работы.

К детали предъявляется требование по твердости НRC = 59..63. Данной твердости можно добиться, применив в качестве термообработки цементацию в газовом карбюризаторе и закалку с высоким отпуском для увеличения долговечности детали (параметры термообработки см. далее).

Параметры точности размеров, формы, взаимного расположения, твердости  и шероховатости заготовки см. на чертеже (прилагается), а также  в пункте, особо посвященном заготовке.

1.2 Выбор заготовки и технико-экономическое обоснование метода ее получения

 

На выбор заготовки влияют следующие  показатели: назначение детали, материал, технические условия, объем выпуска и тип производства, тип и конструкция детали; размеры детали и оборудования; экономичность изготовления заготовки. Все эти показатели должны учитываться одновременно, так как они тесно связаны. Окончательно решение принимают на основании экономического расчета с учетом стоимости метода получения заготовки и механической обработки (таб.1.13 [7]). Здесь и далее для сравнительной оценки вариантов в качестве условной единицы используется рубль 1980 г. , что может дать лишь приближенную экономическую оценку.

В качестве метода получения заготовки  предлагается горячая объемная штамповка в закрытом штампе. Преимущество данного метода перед штамповкой в открытом штампе – большая экономия материала (вследствие отсутствия значительного облоя), сокращение времени черновой механической обработки, а как недостаток можно выделить большую стоимость штампа, более жесткие требования по массе к заготовке перед штамповкой в открытом штампе.

В качестве альтернативного метода получения заготовки может использоваться резка заготовок из проката (круг Ø70 мм).

Литье как способ получения заготовки  рассматривать нецелесообразно, так  как в литой заготовке будет  отсутствовать требуемая микроструктура материала (при обработке давлением происходит дополнительное упрочнение заготовки).

Упрощенное сравнение возможных  вариантов получения заготовки  предполагает два этапа:

1) Сравнение методов получения  заготовки по коэффициенту использования  материала:

 

, (1.3)

 

где q- масса готовой детали, кг;

Q- масса заготовки, кг.

2) Сравнение методов получения  заготовки на основании расчета  стоимости заготовки  с учетом ее черновой обработки.

Рассмотрим два основных метода получения заготовки:

1. Отрезка прутка от круглого  сортового проката (рис.1.2.1);

2. Горячая объемная штамповка  заготовки на молоте (рис.1.2.2).

Наиболее простым способом получения  заготовки является отрезка прутка от круглого проката  мм длиной L:

 

, (1.4)

 

где -номинальный припуск на обработку;

=Rz + h = 0.3+1.6=1.9 мм – точность и качество поверхности после отрезки сортового проката на отрубном прессе (табл. 3, стр. 180, [1]);

=IT17/2= 7,0/2=3,5 мм – нижнее отклонение размера L=577 мм после отрезки заготовки;

=IT14/2= 1,75/2=0.875 мм – нижнее отклонение размера L=577 мм после фрезерования торцов заготовки на фрезерно-центровальной операции.

Таким образом, получаем из выражения (1.4):

 мм;

 мм.

 

Рис.1.2.1 Изготовление заготовки вала из круглого проката

 

Масса заготовки:

 

 кг,

 

где Q- масса заготовки, кг;

D- диаметр заготовки, см;

L- длина заготовки, см;

p- плотность стали 18ХГТ, кг/см .( p=7.85 кг/см ).

Масса детали:

 

Коэффициент использования материала  для заготовки из круглого сортового  проката определяется по формуле (1.3):

 

 

Рассмотрим второй вариант изготовления заготовки – горячая объемная штамповка заготовки.

 

Рис.1.2.2 Изготовление заготовки методом горячей объемной штамповки

 

Масса заготовки:

 

 

Коэффициент использования материала  для штампованной заготовки найдем по формуле (1.3):

 

Таким образом, по коэффициенту использования  материала деталь, изготовленная  штамповкой на молоте, выгоднее, чем  заготовка из круглого сортового  проката, так как .

На втором этапе производится сравнение  методов получения заготовки  на основании расчета стоимости  заготовки .