Индивидуальное задание.

1.Тема: Анализ технологичности конструкции детали №2 сборочного узла № 7 и синтез более технологичной конструкции.

2.Назначение сборочного узла: автомобильная промышленность.

3.Условия функционирования: нагрузки динамические, повышенная надежность (высокий ресурс работы, ремонтопригодность, ренопригодность, взаимозаменяемость), повышенные эксплуатационные свойства (износостойкость, хладостойкость).

4.Цель: Формирование баз технологических данных (БТД) для выбора способа последовательности изготовления, анализа технологичности; формирование технологического предложения для изготовления сборочного узла.

 

Изготовление зубчатых колес

Зубчатые колеса в зависимости от области применения изготовляют из различных материалов: стали, чугуна, цветных металлов, пластмасс и др. Самым распространенным материалом, из которого изготавливают зубчатые колеса, является сталь. Ее применяют для зубчатых передач автомобилей, тракторов, самолетов, станков и других машин, которые передают большие нагрузки. Определяющими факторами для этих колес являются: прочность зубьев на изгиб, контактная прочность и износ зубьев. При этом следует учитывать стоимость материалов, возможность обработки резанием, степень деформирования в процессе закалки и т. д.

Выбор метода изготовления заготовки зависит от формы и размеров детали, ее материала и назначения, объемов производства и т. д. Лучшим методом является тот, при котором заготовки получаются более дешевыми, включая стоимость последующей механической обработки, и имеют требуемое качество. Важнейшим фактором при выборе метода изготовления заготовок является экономия металла. Значительное сокращение расхода металла достигается при использовании технологических процессов малоотходного производства заготовок, размеры которых максимально приближаются к размерам деталей. Экономия металла достигается благодаря сокращению припусков под механическую обработку и повышению точности размеров заготовки. Уменьшается трудоемкость механической обработки благодаря более высоким режимам резания, исключению черновых операций, например точения, зубофрезерования и других, а также замене их получистовыми и чистовыми операциями.

В крупносерийном и массовом производстве к числу основных малоотходных методов изготовления заготовок зубчатых колес относятся: поперечно-клиновая прокатка ступенчатых валов, горячая высадка на многопозиционных автоматах, холодная штамповка, порошковая металлургия, горячее накатывание и горячая штамповка заготовок с зубьями, вырубка.

Особенно высокие требования предъявляют к качеству заготовок, которые предназначены для обработки в автоматизированном производстве (автоматы, автоматические линии, гибкие производственные системы) с применением ЧПУ. К этим заготовкам обычно предъявляют более жесткие требования в отношении припусков, точности размеров, твердости, структуры металла, массы и т. д. Перед механической обработкой заготовки целесообразно подвергать входному контролю в соответствии с техническими условиями.

В мелкосерийном производстве заготовки зубчатых колес, особенно крупных размеров, изготовляют другими методами. Заготовки обычно имеют простую форму с повышенными и неравномерными припусками под последующую механическую обработку, резким колебанием твердости и др. Чтобы уменьшить трудоемкость изготовления заготовок в процессе ковки и последующей механической обработки форму заготовки целесообразно ограничивать плоскими или цилиндрическими поверхностями, избегать применения заготовок сложных ступенчатых форм.

Типовой технологический маршрут изготовления кованых и штампованных заготовок: очистка металла от поверхностных дефектов, разрезка на мерные части, нагрев заготовки, осадка и штамповка заготовки за несколько рабочих ходов, пробивка отверстия у колес-дисков, обрезка облоя, термообработка.

Изготовление заготовок конических колес

    1. Литье
    2. Литье является традиционным методом изготовления зубчатых колес без снятия стружки. Однако точность таких колес может быть недостаточной.

      Литье в кокиль применяют для изготовления заготовок конических колес с прямыми зубьями. Кокили изготавливаются из стали или графита. В качестве литейного материала используют преимущественно чугун с шаровидным и пластинчатым графитом, а также медь и медные сплавы. Зубчатые колеса, полученные литьем в кокиль без дополнительной обработки зубьев, применяют в механизмах и приводах, работающих при низких окружных скоростях и с повышенным боковым зазором между зубьями.

      Литье под давлением применяют для изготовления зубчатых колес из цветных металлов. В этом случае жидкий металл под высоким давлением и при высокой скорости заливается в закаленные стальные формы. Для точных зубчатых колес, отлитых под давлением из цинкового сплава, в большинстве случаев не требуется дополнительная обработка зубьев, а для деталей из легких металлов и медных сплавов всегда необходима дополнительная обработка зубьев.

      Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления заготовок и зубчатых колес сложной формы из стали и цветных металлов. Литье выполняют по высокоточным керамическим моделям, которые точно соответствуют контуру обрабатываемой заготовки. Этот метод изготовления обеспечивает высокую точность: большинство поверхностей заготовки не требуют механической обработки, а часть подвергается только чистовой и финишной обработке. Экономически выгодно литье по выплавляемым моделям применять для изготовления деталей сложной формы.

    3. Холодная и полугорячая объемная штамповка
    4. Этим методом получают конические колеса с прямыми зубьями. Коническое колесо дифференциала автомобиля штампуют с зубьями и отверстием. После отжига окончательно обрабатывают зубья, отверстия после термообработки шлифуют и хонингуют. Основные преимущества данного метода: высокая производительность, высокий коэффициент использования металла, малая трудоемкость механической обработки.

      Полугорячая штамповка производится при температуре 500-700 оС. Холодным выдавливанием рекомендуется изготовлять детали из стали с содержанием углерода 0.15-0.40%.

    5. Горячая штамповка конических колес с прямыми зубьями и круговыми зубьями
    6. Горячая штамповка заготовок с прямыми зубьями разработана и внедрена ЗИЛом совместно с НИИТавтопромом при изготовлении сателлитовых и полуосевых конических колес дифференциала автомобиля с модулем 5 мм и выше. Обработка зубьев конических колес из заготовок со штампованными зубьями значительно затруднена. Объясняется это тем, что зуборезный инструмент производит обработку металла, поверхность которого получена непосредственно после горячей штамповки. Однако при внедрении горячей штамповки достигается значительная экономия металла и отменяется необходимость черновой нарезки зубьев.

    7. Порошковая металлургия
    8. Этот метод предназначен для производства разнообразных симметричных заготовок конических зубчатых колес. Материалом обычно служат железные порошки с добавлением порошков легирующих элементов – никеля, хрома, молибдена и др. Спрессованные из порошка заготовки подвергаются спеканию в печах при температуре 1150-1350 оС. После вторичного подогрева до температуры 800-1100 оС формованная заготовка подвергается горячему прессованию в закрытом штампе.

      Для изготовления зубчатых колес этим способом создаются автоматические линии. У конических колес с прямыми зубьями дифференциала автомобиля после цементации и закалки зубья не обрабатывают. Их точность соответствует точности зубчатых колес, изготовленных на зуборезных станках методом кругового протягивания. Обработке подвергают только базовые поверхности. Готовые детали имеют 100%-ную плотность структуры и те же механические и металлургические свойства, что и эквивалентные детали, полученные обычным способом. Порошковая металлургия экономична: при изготовлении 1 т заготовок из металлического порошка экономится 2 т стального проката.

    9. Горячее накатывание конических колес с круговыми зубьями

      Метод разработан НИИТавтопромом совместно с ЗИЛом и внедрен в производство при накатывании зубьев конического колеса взамен чернового нарезания зубьев. Формирование зубьев осуществляется при медленной рабочей подаче до достижения полной высоты зуба. При внедрении горячего накатывания производительность зубонарезания повышается в 2-4 раза, достигается экономия металла 20-25% и на 20-30% увеличивается прочность на изгиб вследствие направленного расположения волокон металла на зубьях.

      Обработка базовых поверхностей (чистовая обработка отверстий)

Наиболее важными поверхностями заготовки конического колеса являются те поверхности, по которым устанавливают зубчатое колесо в радиальном и осевом направлении при обработке зубьев.

Для чистовой обработки отверстий зубчатых колес после термообработки вводят операцию шлифования. Одновременно можно обрабатывать несколько поверхностей. Правка шлифовального круга осуществляется алмазным роликом и алмазным наконечником. В последнее время шлифование заменяют точением. Высокая и стабильная точность достигается с применением на станке устройств активного контроля. Автоматическое измерение диаметра заготовки в процессе обработки и подналадка станка обеспечивают более высокую точность диаметра, чем точность, достигаемая другими методами обработки. Наряду с этими способами применяют хонингование.

Обработка шпоночных пазов

Обработка шпоночных пазов производится на горизонтально-протяжных станках или на долбежных станках. Долбят шпоночный паз только при изготовлении зубчатых колес больших размеров, когда невозможно протягивание паза. В остальных случаях рекомендуется унифицировать размеры шпоночных пазов, чтобы обеспечить возможность их обработки протягиванием.

Способы обработки конических колес с прямыми зубьями

  • Нарезание дисковыми модульными фрезами
  • Дисковыми модульными фрезами в единичном и мелкосерийном производстве конические колеса с прямыми зубьями нарезают на фрезерных станках с делительными головками или специальными приспособлениями методом копирования (врезания). Для чернового нарезания зубьев обычно применяют фрезы с нешлифованным профилем зубьев, для чистового нарезанияфрезы со шлифованным профилем. Стандартные дисковые модульные фрезы для чернового нарезания зубьев конических колес не обеспечивают минимального припуска под чистовое зубонарезание. Поэтому для каждого модуля и числа зубьев проектируют специальные дисковые фрезы.

  • Нарезание двумя зубострогальными резцами
  • Нарезание конических колес двумя резцами производят на зубострогальных станках методом обкатки. В процессе обработки на этих станках осуществляется зацепление зубьев обрабатываемого колеса с воображаемым производящим колесом. Резцы представляют собой зуб производящего колеса, а прямолинейные режущие кромки резцов являются сторонами смежных зубьев производящего колеса. Во время взаимной обкатки обрабатываемого колеса осуществляется формирование профиля зубьев колеса.

    Этот метод универсален, обеспечивает высокое качество обработки простым и дешевым инструментом. Производительность станка относительно низкая. Метод широко применяется в единичном и серийном производстве. На станках нормальной точности достигается 7-8-я степень точности, а на станках повышенной точности – 6-7-я.

  • Нарезание двумя дисковыми фрезами
  • Этот метод характеризуется более высокой производительностью по сравнению с зубостроганием. Обработка производится двумя спаренными дисковыми фрезами, наклоненными друг к другу и расположенными в одной впадине зуба нарезаемого колеса. Резцы одной фрезы входят в промежутки между резцами другой фрезы. Каждая фреза обрабатывает свою сторону зуба.

    Дисковые фрезы должны поставляться в комплекте, разность их диаметров не должна превышать 0,05 мм, фрезы следует использовать комплектно до окончания срока их службы.

    Зубчатые колеса модулем не более 5 мм нарезают за одну операцию из целой заготовки, а модулем более 5 мм за две операции черновую и чистовую. Производительность станка в 4 раза выше, чем при зубострогании двумя резцами. Достигаемая точность соответствует 7-8 степени. Этот метод обычно применяется в средне- и крупносерийном производстве, его можно применять и при изготовлении небольших партий зубчатых колес.

  • Нарезание методом кругового протягивания
  • Круговое протягивание является самым производительным методом изготовления конических колес с прямыми зубьями. Его применяют в массовом производстве для изготовления зубчатых колес дифференциала легковых и грузовых автомобилей, тракторов и других машин. Конические колеса с прямыми зубьями, нарезанные круговым протягиванием не взаимозаменяемы с колесами, обработанными зубостроганием и зубофрезерованием. У колес с модулем меньше 5 мм зуб полностью нарезают за один оборот комбинированной зуборезной головкой-протяжкой. Зубчатые колеса с модулем 5-8 мм изготовляют за две последовательные операции черновую и чистовую (на разных станках, соединенных в автоматическую линию).

  • Нарезание по шаблону
  • Нарезание конических колес с прямыми зубьями по шаблону производят на специальных зубострогальных станках, работающих двумя резцами или одним резцом методом копирования. Метод нарезания по шаблону применяют для обработки крупномодульных зубчатых колес 8-9-й степени точности любого профиля в индивидуальном и мелкосерийном производстве тяжелого машиностроения. Станки универсальные, имеют простую наладку, дешевый и универсальный, не требующий большого числа типоразмеров режущий инструмент.

    Шлифование зубьев

    Конические зубчатые колеса имеют сложную конфигурацию, вследствие чего они подвержены значительному деформированию при термической обработке. В связи с повышением угловых скоростей и необходимостью соблюдения плавности и бесшумности передач применяют отделку закаленных зубьев шлифованием.

    Шлифованием достигается высокая степень точности конических колес средних размеров с модулем до 6 мм и диаметром до 200 мм (разность соседних окружных шагов 5-12 мкм, накопленная погрешность окружных шагов 12-18 мкм, отклонение направления зубьев 8-12 мкм, биение по делительной окружности 15-20 мкм).

    Индивидуальное задание

    Исходные данные:

    Исходные таблицы:

    Выбор способа изготовления заготовки:

    Параметры

    Интервалы варьирования

    ДЗ

    ЛК

    ЛД

    ЛВМ

    ХОШ

    ГШ

    ПМ

    ГН

    УС

    1,1

    1,5

    1,6

    1,5

    1,7

    1,8

    1,5

    Сплав

    Цв.металлы, чугун

    1,0

    1

    1

    2

    2

    2

    2

    2

    Сталь

    1

    1,3

    2

    2

    1

    1

    1

    1

    1

    Материал

    Твердость HB<200

    1,0

    1

    1

    1,5

    2

    2

    2

    1

    Твердость HB>200

    1

    1,5

    2

    2

    1

    1

    1

    1

    2

    Размер колеса

    Модуль<4

    1

    1,0

    2

    2

    1,5

    1,5

    1,5

    1,5

    2

    Модуль>4

    1,4

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    Серийность

    Мелкосерийное (<10 000)

    1,6

    2

    2

    3

    2

    2

    2

    1

    Крупносерийное (>10 000)

    1

    1,0

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    1,5

    Ст. точности

    4-6 ст.точности

    2,0

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    2

    7-8 ст.точности

    1

    1,5

    2

    2

    1,5

    1,5

    1,5

    1,5

    1,5

    8-10 ст.точности

    1,0

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    1

    Форма детали

    Простая

    1

    1,0

    1

    1

    1,5

    1

    1

    1

    1

    Сложная

    1,5

    2

    2

    1

    2

    2

    2

    2

    Расчет апостериорной вероятности для выбора способа изготовления заготовки:

    УС лк =1,1*(1,3*2)*(1,5*2)*(1,0*2)*(1,0*1)*(1,5*2)*(1,0*1)=25,74

    УС лд =1,5*(1,3*2)*(1,5*2)*(1,0*2)*(1,0*1)*(1,5*2)*(1,0*1)=35,1

    УС лвм =1,6*(1,3*1)*(1,5*1)*(1,0*1,5)*(1,0*1)*(1,5*1,5)*(1,0*1.5)=15,795

    УС хош =1,5*(1,3*1)*(1,5*1)*(1,0*1,5)*(1,0*1)*(1,5*1,5)*(1,0*1)=9,87

    УС гш =1,7*(1,3*1)*(1,5*1)*(1,0*1,5)*(1,0*1)*(1,5*1,5)*(1,0*1)=11,188

    УС пм =1,8*(1,3*1)*(1,5*1)*(1,0*1,5)*(1,0*1)*(1,5*1,5)*(1,0*1)=11,846

    УС гн =1,5*(1,3*1)*(1,5*2)*(1,0*2)*(1,0*1,5)*(1,5*1,5)*(1,0*1)=39,4875

    По минимальной условной стоимости выбираем холодную объемную штамповку.

    Схема холодной объемной штамповки в открытом штампе

    Выбор способа чистовой обработки базовых поверхностей (отверстия ступицы):

    Параметры

    Интервалы варьирования

    ДЗ

    Точение

    Шлифование

    Хонингование

    УС

    1,0

    1,3

    1,6

    Материал

    Цв.металлы, чугун

    1,0

    1

    1,5

    1,5

    Сталь

    1

    1,2

    1,5

    1

    1

    Серийность

    Мелкосерийное (<10 000)

    1,6

    1,1

    2

    3

    Крупносерийное (>10 000)

    1

    1,0

    1

    1

    1

    Шероховатость

    Ra<1.6

    2,0

    2

    1

    1

    Ra>1.6

    1

    1,0

    1,5

    2

    2

    Расчет апостериорной вероятности для выбора способа чистовой обработки базовых поверхностей (отверстия ступицы):

    УС точение =1,0*(1,2*1,5)*(1,0*1)*(1,0*1,5)=2,7

    УС точение =1,3*(1,2*1)*(1,0*1)*(1,0*2)=3,12

    УС точение =1,6*(1,2*1)*(1,0*1)*(1,0*2)=3,84

    По минимальной условной стоимости выбираем точение.

    Схема точения (показано предварительное сверление)

    Выбор способа обработки шпоночного паза:

    Параметры

    Интервалы варьирования

    ДЗ

    Протягивание

    Долбление

    УС

    1

    1,5

    Размер ступицы колеса

    длина ступицы>100 мм

    2,0

    2

    1

    длина ступицы<100 мм

    1

    1,0

    1

    2

    Расчет апостериорной вероятности для выбора способа обработки шпоночного паза:

    УС протягивание =1,0*(1*1)=1

    УС долбление =1,5*(1*2)=3

    По минимальной условной стоимости выбираем протягивание.

    Схема протягивания шпоночного паза:

    Выбор способа окончательной обработки зубьев:

    Параметры

    Интервалы варьирования

    ДЗ

    Диск.м.ф.

    2 з.р.

    2 д.ф.

    кр.пр.

    шабл.

    УС

    1,6

    1

    1,3

    1,7

    1,5

    Модуль

    модуль<5

    1

    1,0

    1

    1

    1

    1

    2

    модуль>5

    1,2

    2

    2

    1,5

    2

    1

    Серийность

    Мелкосерийное (<10 000)

    1,6

    1,5

    1

    2

    2

    1

    Крупносерийное (>10 000)

    1

    1,0

    1

    2

    1

    1

    2

    Ст. точности

    4-6 ст.точности

    2,0

    2

    2

    2

    2

    3

    7-8 ст.точности

    1

    1,5

    2

    1,5

    1

    1,5

    2

    8-10 ст.точности

    1,0

    1

    1

    1

    1

    1

     

    Расчет апостериорной вероятности для выбора способа окончательной обработки зубьев:

    УС диск.м.ф. =1,6*(1,0*1)*(1,0*1)*(1,5*2)=4,8

    УС 2 з.р. =1*(1,0*1)*(1,0*2)*(1,5*1,5)=4,5

    УС 2 д.ф. =1,3*(1,0*1)*(1,0*1)*(1,5*1)=1,95

    УС кр.пр. =1,7*(1,0*1)*(1,0*1)*(1,5*1,5)=3,825

    УС шабл. =1,5*(1,0*2)*(1,0*2)*(1,5*2)=18

    По минимальной условной стоимости выбираем нарезание двумя дисковыми фрезами.

    Схема нарезания двумя дисковыми фрезами

    :

    В качестве последней отделочной операции применим отделку зубьев шлифование.

    Синтез результатов решения

    Результат решения по БТД представлен в виде упрощенного технологического маршрута обработки конического колеса с прямыми зубьями:

    № по

    пор.

    Операция

    1

    Холодная объемная штамповка заготовки с предварительно формованными зубьями

    2

    Базирование заготовки со штампованными зубьями. Сверление и растачивание отверстия. База-делительный конус.

    3

    Протягивание шпоночного паза.

    4

    Нарезание зубьев двумя дисковыми фрезами.

    5

    Термическая обработка.

    6

    Шлифование зубьев.

    Предложения по повышению технологичности.

    Для улучшения технологичности конструкции целесообразно уменьшить длину ступицы за счет замены шпоночного паза шлицами. Это обеспечит экономию материала и улучшение условий для обработки давлением. В условиях крупносерийного производства целесообразно осуществлять прошивку отверстия и отрезку облоя в комбинированном штампе на обрезном прессе. Для повышения точности обработки наряду с операционным контролем целесообразно применение устройств активного контроля.

    Техническое предложение включает эскиз более технологичной конструкции.

    Эскиз более технологичной конструкции

    Анализ технологичности конструкции:

    Параметры

    Интервалы варьирования

    ДЗ

    Исх.констр.

    Усоверш.констр

    УС

    1,0

    1,2

    Затраты материала

    min

    1

    1,0

    1,5

    1

    max

    1,5

    1

    1,5

    Условия функц.

    обычн.

    1,0

    1

    2

    улучш.

    1

    1,5

    2

    1

    Сложность изг.

    ниже

    1

    1,0

    1

    1,5

    выше

    1,5

    1,5

    1

    1. УС исх.констр. =1,0*(1,0*1,5)*(1,5*2)*(1,0*1)=4,5

    2. УС усоверш.констр. =1,2*(1,0*1)*(1,5*1)*(1,0*1,5)=2,7

    По минимальной условной стоимости усовершенствованная конструкция, отвечающая требованиям условий функционирования, является более технологичной.

     

    Список использованной литературы

    1. Хлебалин Н.Ф. Нарезание конических зубчатых колес. Под ред. Е.Г.Гинзбурга
    2. Мерчанский Д.П. Зуборезное дело. Изд 2-е перераб. и доп.М.Машиностроение
    3. Корнилов К.А. Производство зубчатых колес.
    4. Производство зубчатых колес. Справочник. Под ред. Б.А.Тайца М.Машиностроение”, 1990

    В ходе работы были рассмотрены материалы из Internet. Ссылки на сайты с информацией, касающейся производства зубчатых колес а также технологии литейного, кузнечно-штамповочного производства и металлообработки, приведены ниже:

    http://www.foundry.ru/mt13/lection/od1/od1.htm -физические основы обработки металлов давлением

    http://www.foundry.ru/mt13/lection/od3/od3.htm - обработка давлением

    http://www.foundry.ru/mt13/practica/indzad/techmat/techm.htm -основы изготовления отливок из серого чугуна и сталей

    http://www.cl.spb.ru/chtushev/pokovki/price.htm -цены на черновые поковки (сталь углеродистая, конструкционная, легированная, инструментальная)

    http://www.enims.ru/s6_2.htmlСервер ОАО Экспериметальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков

    http://www.osp.ru/ap/1998/03/51.htm - компьютерная технология подготовки производства конических и гипоидных зубчатых колес