Технологический процесс механической обработки шпинделей станков (валов с установами). Исполнитель

Технологический процесс механической обработки шпинделей станков  (валов с установами).

План:

1. Служебное назначение шпинделей станков, технические требования к их поверхностям, материалы и заготовки.
2. Этапы технологического процесса и их реализация.
3. Контроль валов.

 {spoiler=Подробнее}

1. Ключевые слова по теме лекции

         Валы; служебное назначение; шпиндели станков; классификация; точность шеек;  материалы валов; ... ; обработка;  черновая обработка;  чистовая обработка; обработка глубоких отверстий; шпоночные пазы; обработка шлицев; конические отверстия; шлифование; контроль.

1. Служебное назначение шпинделей станков, технические

требования к их поверхностям, материалы и заготовки

         Валы с установами - распространенный тип деталей машин, передающих в механизмах крутящий момент и движение вращения за счет установленных на них зубчатых колес. Вращающиеся валы устанавливаются в корпусах механизмов на оперы -подшипники скольжения или кочения.

         Функциональное назначение и формы обрабатываемых поверхностей валов весьма разнообразны. Это гладкие цилиндрические шейки обычной и повышенной точности, шейки со шлицевыми и шпоночными канавками, резьбой. С осевыми и радиальными отверстиями, конусные шейки, канавки различной формы, фланцевые части и т.д. Практически весь набор этих поверхностей имеется на шпинделях станков, поэтому технологический процесс механической обработки валов с установами удобно изучить именно но примере шпинделя токарного станка.

         Шпиндель является одной из наиболее ответственных деталей металлорежущего станка, т.к. точность обрабатываемых на станке деталей в значительной степени зависит от точности изготовления самого шпинделя. Шпиндель станка придает вращательное движение обрабатываемой детали или режущему инструменту. С технологической точки зрения конструкции шпинделей металлорежущих станков можно разделить на три группы (рис.3.1.): а) шпинделем без осевого отверстия (шлифовальные бабки станки); б) шпиндели с глухим осевым отверстием (сверлильные, расточные станки); в) шпиндели со сквозным осевым отверстием (токарные, фрезерные, резьбо-фрезерные и др. станки). Эскиз шпинделя токарного станка представлен на рис. 3.2.

         Рис.3.1. Конструкции шпинделей металлорежущих станков: а) - без осевого отверстия; б) - с глухим осевым отверстием; в) - со сквозным осевым отверстием.

         По точности шпиндели так же делятся на три группы в зависимости от точности самого станка: а) для станков нормальной точности; б) повышенной точности; в) прецизионные. Так, радиальное биение конусного отверстия относительно опорных подшипниковых шеек (см.рис.3.2.) не должно превышать 5-10мкм дляф станков нормальной точности, 3-5мкм для станков повышенной точности и для прецизионных - 1-3мкм. Отклонения геометрической формы самих опорных шеек у шпинделей станков нормальной точности не должны превышать 50% допуска на их диаметральные размеры, выполненные по 5-6 квалитету точности.

         Для станков повышенной точности эта величина меньше 25% допуска на диаметр шеек, выполненных по 4- 5 квалитету точности, а для прецизионных станков такие отклонения составляют 0,3- 0,5 мкм при допуске на диаметр опорных шеек 1,5- 3 мкм. Шероховатость обработки этих поверхностей Ra 1,25- 0,63мкм - для нормальной точности; Ra0,32- 0,16 мкм - повышенной и Ra0,16- 0,08мкм- для прецизионных станков. Быстроходные шпиндели подвергаются динамической балансировке.

          Рис. 3.2. Эскиз шпинделя токарного станка.

         Шпиндели изготавливаются обычно из углеродистой стали 45, легированных; 20Х; 40Х; хромированной 40ХН; 12ХН2; 12ХН3 и др. Для шпинделей тяжелых станков применяется серый чугун СЧ-15 или СЧ-21, модернизированный чугун, или сталь 35ХЮА с азотированием опорных шеек. Местной поверхностной закалке токами высокой частоты (ТВЧ) либо химико- термической обработке подвергаются наиболее ответственные поверхности (опорные шейки, конусное отверстие фланца) всех шпинделей.

         Заготовки шпинделей выбираются в зависимости от вида производства и их конфигурации от сортового проката и поковкой с высадкой фланца (индивидуальное, мелкосерийное производство) до штамповок с высадкой при крупносерийном производстве. Наиболее прогрессивный метод получения заготовки- штамповка с высадкой и раскаткой сквозного осевого отверстия.

2. Этапы технологического процесса и их реализация

         Наиболее сложным является изготовление шпинделей со сквозным осевым отверстием. Этапы их технологического процесса механической обработки следующие:

1. обработка торцов заготовки и сверление в них центровых отверстий;
2. черновое и чистовое обтачивание наружных поверхностей;
3. сверление сквозного осевого отверстия;
4. черновая обработка переднего и заднего осевого отверстия;
5. термообработка;
6. получистовая обработка конусных отверстий;
7. обработка отверстий во фланце;
8. чистовое обтачивание наружных поверхностей;
9. нарезание резьбы, фрезерование шпоночных и шлицевых канавок;
10. шлифование цилиндрических и конических опорных шеек;
11. шлифование конуса под патрон, торца фланца;
12. шлифование переднего конусного отверстия.

         Технологической базой черновой и получистовой обработки шпинделей, как и всех остальных валов, служат центровые отверстия (рис. 3.3.), которые обрабатываются на торцах заготовки после их подрезки. Такую обработку можно выполнить на токарном станке за два установа при индивидуальном и мелкосерийном производстве, либо фрезерованием и сверлением на фрезерно- центровальном станке при серийных видах производства (см. рис. 3.4.) при базировании заготовок в призмах.

Рис.3.4. Схема обработки вала на  фрезерно- центровальном станке.

         Наиболее прогрессивный метод такой обработки в крупносерийном производстве - использование на фрезерно- центровальном станке с самоустанавливающимися призмами, которые выставляют вращающуюся заготовку не по геометрической, а по динамической оси, что в последствии значительно облегчает динамическую балансировку готового шпинделя.

         Черновое и получистовое обтачивание в индивидуальном, мелкосерийном производстве проводят последовательным точением шеек шпинделя на токарном станке. В средне- и крупносерийном производстве для этих целей используют токарно- гидрокопировальный станок, обработка шпинделя на котором производится за 4 раза - слева, справа, начерно, получисто. Кроме того, поперечные суппорты гидрокопировального станка прорезают канавки, снимают фаски, подрезают торцы и т. д. (рис. 3.5.).

         Рис.3.5. Обработка ступенчатого вала на гидрокопировальном станке: 1- копирный барабан; 2- копир; 3- щуп; 4- поперечный суппорт.

         Сверление сквозного осевого отверстия проводится на специальных горизонтально- сверлильных станках при вращении обрабатываемого вала ружейными, пушечными или перовыми сверлами. При диаметрах отверстий более 80 мм для их обработки на станках токарной группы применяются пальцевые (корончатые) сверла со сменными режущими ножеми. Цилиндрический отход после сверления можно использовать для изготовления других деталей.

         На следующем этапе обрабатывают переднее и заднее конические отверстия. Отверстие со стороны фланца последовательно зенкируются в начале ступенчатым, затем коническим зенкером на вертикально- сверлильном станке. Далее оба конусных отверстия растачиваются с подрезкой торцов на токарном станке. Заднее конусное отверстие технологическое и служит при последующей обработке шпинделя для базирования по двум конусным пробкам или двухконусной оправке с центровыми отверстиями.

         Рис. 3.6. Оправка с двумя конусами для обработки шпинделя со сквозным осевым отверстием.

         После термообработки для удаления ее погрешностей конусные отверстия растачиваются получисто на токарном станке. Затем обрабатываются отверстия во фланце, для чего используется радиально- сверлильный станок и накладной кондуктор с базированием по переднему коническому отверстию.

         Чистовое обтачивание наружных поверхностей проводится на токарных станках повышенной точности с базированием шпинделя по двум конусным отверстиям (рис. 3. 6.). Термически обработанные шейки обрабатываются резцами с пластинками твердого сплава Т30К10, либо со вставными со сверхтвердых материалов (гексонит, кубанити т. д.).

         Нарезание резьбы на шейках шпинделя осуществляется на токарно- винторезных станках резьбовым резцом за несколько черновых и 2-3 чистовых прохода. В крупносерийном производстве резьбовые шейки могут обрабатываться на резьбофрезерных станках многониточной резьбовой фрезой за 1,2 оборота детали (0,2 оборота- на полное врезание фрезы при радиальной подаче).

         Фрезерование шпоночных пазов и шлицев проводится также при базировании шпинделя на центры оправки с корпусами (рис. 3.6.), чем достигается их параллельность оси шпинделя. Шпоночные паза фрезеруются шпоночными фрезами на вертикально- фрезерных станках (единичное, мелкосерийное производство), либо на шпоночно- фрезерных станках с маятниковой подачей (средне- и крупносерийное производство).

         Шлицы в условия серийных производств нарезаются на шлицефрезерном станке червячной шлицевой фрезой методом обкатки. Возможно также использование для этого горизонтально- фрезерного станка с дисковой фасонной фрезой (метод копирования), с двумя прорезными и одной радиусной фрезой (обработка за две операции), протягивание, либо шлицестрогание в крупносерийном производстве. Затем проводится чистовая обработка шлифованием центрирующих поверхностей шлицев- наружного, внутреннего диаметров, или боковых поверхностей шлицевых выступов.

         Цилиндрические опорные шейки шпинделей шлифуются на круглошлифовальных станках с базированием по центрам оправки с конусами (рис.3.6.). Шлифование конусных опорных шеек, конусной ленточки и торца фланца шпинделя (см. рис.3.2.) проводится на торцекруглошлифовальном станке с разворотом шлифовальной бабки и соответствующей правки переферии круга.

         Шлифование переднего конусного отверстия со стороны фланца шпинделя проводят на внутришлифовальном станке также с разворотом шлифовальной бабки (рис.3.7.)

         Особенности изготовления шпинделей прецизионных станков следующие:

1. Для уменьшения влияния остаточных напряжений заготовки шпинделей после черновой обработки нормализуются, а при дальнейшей обработке осуществляется 1-2 искусственных старения.
2. Опорные шейки и переднее конусное отверстие шлифуется 3-4 раза с последующим суперфинишем или притиркой для получения шероховатости Ra0,08- 0,04мкм.
3. Проводится динамическая балансировка шпинделя.
4. Окончательное шлифование переднего конусного отверстия проводят после сборки непосредственно на станке переносным внутришлифовальным устройством.

         Рис.3.7. Схема накладки шлифования конусного отверстия шпинделя на внутришлифовальном станке с приспособлением: 1- установочное кольцо; 2- поводковое устроуство.

3. Контроль валов

         Контроль шпинделей проводится как универсальными измерительными инструментами, так и предельными калибрами (пробки, скобы), контрольными приспособлениями. Кроме штангенциркуля и микрометра для контроля геометрических размеров шпинделей прецизионных станков необходимы пассаметр (до 0,002мм) и микротаст (до 0,001мм). Взаимное расположение поверхностей проверяют индикатором с использованием приспособления с двумя призмами, на которые устанавливаются шпиндель по опорным шейкам (рис.3.8.)

         Рис.3.8. Схемы контроля шпинделя: а) - взаимного расположения и параллельности шеек; б) - расположение конусного отверстия относительно опорных шеек.

         После завершения обработки и контроля шпиндели консервируют и хранят до сборки в специальной таре в вертикальном положении.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое шпиндель станка?
2. Какое место занимают шпиндели в классе валов?
3. Из каких материалов изготавливаются валы?
4. Каково служебное назначение валов?
5. Какими методами получают заготовки для валов?
6. Перечислите жтапы технологического процесса изготовления валов.
7. Как осуществляется контроль валов?

{/spoilers}