Проектирование технологического процесса механической обработки корпуса сборной специальной кассетной фрезы

Т_из - время на измерение детали.

Т_ус = 3,17 мин; Т_уп = 2•0,01+0,025=0,045 (мин); Т_из = 1,12 мин.

Т_в = 3,17+0,045+1,12=4,335 (мин).

Определение времени обслуживания рабочего места:

, П = 6%.

(мин).

Тогда (мин).

Отсюда (мин).

3.6 Выбор станочного оборудования

На токарных операциях 0010 и 0020 выбираем Токарный патронно-центровой станок с числовым программным управлением (модель 16К30Ф3).

Станок предназначен для обтачивания и растачивания изделий типа валов и втулок с цилиндрической, конической и фасонной поверхностями по замкнутому автоматическому циклу с автоматической сменой инструмента.

Областью рационального использования данного станка является мелкосерийное и серийное производство.

Достаточный диапазон чисел оборотов шпинделя и величин подач, наличие на станке поворотной четырехпозиционной резцовой головки с быстросменными блоками и необходимого количества инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов позволяет эффективно использовать станок при обработке изделий из различных материалов.

Станок изготавливается по классу точности П, и позволяет обрабатывать детали по 2-му квалитету точности.

Режущий инструмент, установленный в державке, закрепляется в четырех- или шестипозиционной резцовой головке.

Предусмотрено оснащение станка контурным устройством числового программного управления по трем координатам модели У221 (Н221М, Н222М, ЭМ-907).

Основные данные:

Наибольший диаметр обрабатываемой детали, мм:

над станиной 630

над суппортом 300

Наибольшая длина обрабатываемой детали, мм 1400

Наибольший диаметр прутка, проходящего в

отверстие шпинделя, мм 80

Тип привода подачи Электрогидравлический

шаговый двигатель (ШД5-Д1)

Мощность привода подачи, кВт 6,52

Число оборотов шпинделя в минуту 6,3 - 1250

Число скоростей электродвигателя привода

главного движения (по программе) 9

Мощность электродвигателя главного движения, кВт 17

Габарит станка 6000Ч3450Ч2150

Вес станка с электродвигателем, кг 7000

3.7 Выбор режущего инструмента

Режущий инструмент необходимо выбирать в зависимости от методов обработки и обрабатываемого материала. Операция 0010 и операция 0020 - токарная.

На данной операции мы проводим черновую токарную обработку заготовки. Обработка ведется на токарном патронно-центровом станке с числовым программным управлением (модель 16К30Ф3).

При точении внутреннего диаметра и торца применяем токарный проходной резец с механическим креплением четырехгранных твердосплавных пластин клин-прихватом.

Размеры:

h = 20 мм; b = 16 мм; L = 125 мм; h₀ = 20 мм; f = 20 мм; P = 25 мм.

При растачивании внутреннего диаметра применяется токарный расточной резец с механическим креплением трехгранных твердосплавных пластин клином.

Размеры:

h = 35 мм; h₀ = 25 мм; L = 200 мм; b = 32 мм; P = 32 мм.

При точении наружного диаметра и торца применяется токарный проходной резец с механическим креплением трехгранных твердосплавных пластин клин-прихватом.

Размеры:

h = 20 мм; b = 16 мм; h₀ = 20 мм; f = 20 мм; L = 125 мм; P = 25 мм.

Операция 0030 и операция 0045.

На данной операции осуществляется фрезерование пазов под ложементы, шпоночных пазов и пазов для выхода стружки (облегчения конструкции), сверление отверстий. Обработка ведется на агрегатном автомате (модель МС 800 Н).

Для фрезерования пазов под ложементы выбираем концевую фрезу с коническим хвостовиком 20 мм (по ГОСТ 17025-71).

Размеры:

d = 20 мм; L = 104 мм; l = 38 мм; z = 6.

При сверлении отверстий для поднятия фрезы применяется сверло спиральное с цилиндрическим хвостовиком 30 мм (по ГОСТ 2092-77).

Размеры:

L = 395 мм; l = 275 мм.

При сверлении отверстий для крепления зубьев фрезы используется сверло спиральное с цилиндрическим хвостовиком 8 мм (по ГОСТ 10902-77).

Размеры:

L = 117 мм; l = 75 мм.

При фрезеровании пазов для выхода стружки и облегчения конструкции фрезы используется концевая фреза с цилиндрическим хвостовиком 10 мм (по ГОСТ 17025-71).

Размеры:

d = 10 мм; L = 72 мм; l = 22 мм; z = 4.

При сверлении ступенчатых отверстий для сбора фреза с другими фрезами используется комбинированный инструмент сверло-зенкер 14 - 20.

При фрезеровании шпоночных пазов применяется шпоночная фреза, оснащенная твердосплавными пластинами (по ГОСТ 6396-78).

Размеры:

d = 10 мм; L = 62 мм; l = 12 мм.

Операция 0075, операция 0080 и операция 0095.

На данной операции осуществляется шлифование внутреннего диаметра и торцов. Шлифование происходит на плоскошлифовальном станке с круглым столом и вертикальном шпинделе.

При шлифовании используется шлифовальный круг ПП400*25*127 24А25СМ17К5 (по ГОСТ 2424-83).

3.8 Термическая обработка

В процессе эксплуатации данная фреза подвергается воздействию статических, динамических, в том числе, знакопеременных нагрузок. В связи с этим эксплуатационная надежность инструмента находится в прямой зависимости от их прочности, износостойкости, термо- и коррозионной стойкости. Выберем наиболее подходящий метод улучшения поверхностного слоя.

Цементация. Наибольшее распространение получили газовая цементация и цементация в твердом карбюризаторе. Процесс проходит при нагреве в соответствующей среде - карбюризаторе. Окончательные свойства изделия их конструкционных сталей приобретают после закалки непосредственно с температуры цементации или после подстуживания до 800 - 850°С и повторного нагрева выше температур Ас₃ сердцевины. После закалки следует отпуск при 160 - 180°С.

Цементация применяется для низкоуглеродистых сталей, реже для высокоуглеродистых и высокохромистых коррозионных сталей.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придание поверхностному слою высокой твердости (HRC 58-62) и износостойкости, повышение пределов контактной выносливости при изгибе и кручении. Как правило, цементацию применяют для повышения работоспособности деталей, испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические, переменные нагрузки и подверженные изнашиванию.

Нитроцементация. Основное назначение нитроцементации - повышение твердости, контактной выносливости, износостойкости и предела выносливости. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мартенсита, небольшого количества равномерно распределенных карбонитридов и 25-30% остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую прирабатываемость.

Содержание углерода на поверхности 0,7-0,9% и азота до 0,3-0,4%. При более высоком содержании азота в структуре слоя образуется темная составляющая, представляющая собой поры, образовавшиеся в результате выделения молекулярного азота. Эффективная толщина нитроцементованного слоя не должна превышать 1 мм, так как при большей толщине в структуре также возникает темная составляющая, резко снижающая предел выносливости стали на 30-40%, а контактную выносливость в 5-6 раз. Для нитроцементации применяют то же оборудование, что и для газовой цементации. По сравнению с газовой цементацией нитроцементация, проводящаяся при более низкой температуре, обеспечивает меньшее коробление изделий и повышает сопротивление износу и предел выносливости.

Цианирование. Цианирование проводят, как правило, при 800-950°С в расплаве, содержащем цианистые соли. Цианирование используют для повышения твердости поверхности, износостойкости, предела выносливости и контактной выносливости. Структура диффузионного слоя после цианирования аналогична получаемой после нитроцементации. С повышением температуры содержание азота в слое уменьшается, а содержание углерода возрастает, поэтому по своим свойствам слой приближается к цементованному.

Достоинства цианирования: небольшая продолжительность процесса; малые деформации и коробление (важно для деталей сложной формы).

Недостатки цианирования: трудно поддерживать постоянный состав ванны; большие потери теплоты (излучение с поверхности ванны); токсичность и высокая стоимость применяемых солей.

Работа с ядовитыми солями, их транспортировка, хранение, загрузка ванны, нейтрализация солей и т.д. Требуют особых мер предосторожности, что стало основной причиной ограниченного применения этого процесса в промышленности.

Азотирование. При азотировании происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом (или азотом и углеродом) при нагреве в соответствующей среде.

Азотирование - процесс многоцелевого назначения, используется для упрочнения конструкционных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, сплавов тугоплавких металлов, спеченных металлокерамических материалов, разнообразных гальванических и диффузионных покрытий.

В результате азотирования сталей возрастают: 1) твердость поверхности; 2) стойкость к возникновению задиров; 3) предел выносливости; 4) кавитационная стойкость; 5) сопротивляемость коррозии в атмосфере, пресной воде и в водяном паре.

Низкотемпературное <600°С газовое азотирование проводится в частично диссоциированном аммиаке, в смеси аммиака и азота, аммиака и предварительно диссоциированного аммиака. Для активизации процесса в аммиачно-водородную смесь вводят кислород или воздух. Широко применяются атмосферы на основе частично диссоциированного аммиака и углеродсодержащих компонентов: природного и городского газа, эндогаза, эндо-экзогаза, смеси азота (80%), метана (или пропана) и СО₂, продуктов пиролиза синтина, керосина и т.д.

Для азотирования применяются и расплавы цианид-цианатных солей (жидкое азотирование).

В последние годы широко применяют ионное азотирование в тлеющем заряде. В этом случае азотирование проводят в разреженной атмосфере аммиака или хорошо очищенного азота. Обрабатываемые детали подключают к катоду. Анодом является контейнер установки. При обработке деталей сложной конфигурации применяют профилированные аноды. Между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и положительные ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее. Процесс ионного азотирования проходит в две стадии: 1 - очистка поверхности катодным распылением; 2 - насыщение.

Ионное азотирование (по сравнению с печным) имеет следующие преимущества:

1. ускоряются диффузионные процессы (в 1,5-5 раза);

2. можно получить диффузионный слой регулированного состава и строения;

3. деформация изделия незначительна, высокий класс чистоты поверхности;

4. азотировать коррозионно-стойкие, жаропрочные и мартенситно-стареющие стали можно без дополнительной обработки;

5. сокращается общее время процесса (благодаря уменьшению времени нагрева и охлаждения садки);

6. большая экономичность, выше коэффициент использования электроэнергии, меньше расход насыщающих газов;

7. нетоксично и отвечает требованиям по защите окружающей среды.

Хорошие результаты получены при азотировании в вакууме, позволяющем регулировать фазовый состав и толщину диффузионного слоя и интенсифицировать процесс.

Делаем вывод, что наиболее подходящим методом улучшения поверхностного слоя является нитроцементация. Потому что глубина улучшенного слоя при азотировании в 6-10 раз меньше, чем у нитроцементированного слоя. Азотированный слой плохо подвергается механической обработке. После процесса нитроцементации могут возникнуть поводки, но их можно исправить на последующей операции шлифования. Азотированный слой не предусмотрено обрабатывать шлифованием для устранения коробления заготовки из-за малой глубины (до 0,05 мм). А так как для нитроцементации больше подходит сталь 19ХГН, принимаем решение о замене ранее предложенной стали 38ХМА на сталь 19ХГН.

Сталь 38ХМА.

Назначение - ответственные детали общего назначения в машиностроении. Основной материал деталей, подвергаемых азотированию.

Таблица 3.8.1. Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

						не	более
C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	Cu	Ni
0,35-0,42	0,17-0,37	0,35-0,65	0,90-1,30	0,20-0,30	0,025	0,025	0,30	0,30

Механические свойства (ГОСТ 4543-71)

у_В = 980 Мпа - временное сопротивление разрыву,

у_0,2 = 885 Мпа - условный предел текучести.

Таблица 3.8.2. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Температура	Закалка	850 °С, масло
отпуска	у0,2	уВ	HRC
200 300 400 500 600	1600 1470 1270 1130 860	1860 1670 1420 1250 980	61 51 42 38 30

Таблица 3.8.3. Предел выносливости

у-1, МПа	n	Термообработка
323	6·105	Закалка с высоким отпуском

Сталь 19ХГН.

Перспективная цементуемая хромомарганцовая сталь, обладающая высокой прочностью, повышенной прокаливаемостью при удовлетворительной способности к сварке и обработке резанием.

Изготовляемые детали: ведущие шестерни заднего моста, скользящая муфта коробки подач, т.е. широко применяется в автомобилестроении.

у_Т = 930 МПа; у_В = 1180-1520 МПа.

4. Расчет технологической оснастки

4.1 Расчет патрона цангового

Цанговый патрон предназначен для закрепления фрезы на операции 030 фрезерования пазов в корпусе.

Зажимное устройство (цанга) является центрирующим зажимом с установкой фрезы или сверла по наружной поверхности. Цанга представляет собой разрезную пружинящую втулку с конусом 7:24 по наружной поверхности. Она обеспечивает концентричность установки детали с точностью до 0,02…0,05 мм. Для инструментов различного диаметра применяется набор цанг.

Фреза Ш10 мм или сверло Ш8 мм вставляются в отверстие цанги и зажимаются за счет наворачивания накидной гайки. В этот момент цанга смещается по оси, и происходит зажатие инструмента.

Для определения усилий зажима фрезы рассчитаем силы резания при фрезерования паза для выхода стружки.

Расчет сил резания:

Рz = 10 •Сp• t^x • s^y • B^u • z • Кмр, (1)

1 D^q • n^w

где Ср, х, у, u, q, w - значение коэффициента и показателей степени возьмем из [12]

Ср = 491; х = 1,0; у = 0,75; u = 1,1; q = 1,2; w = 0,3;

t - глубина резания, t = 30 мм;

s - подача, s = 0,05 мм/мин;

В-ширина фрезерования, В = 80 мм;

z - число зубьев, z = 4;

D - диаметр фрезы, D = 10 мм;

n - частота вращения фрезы, n = 70 об/мин;

Кмр - поправочный коэффициент,

Кмр = (у_в / 750)ⁿ = (750 / 750)⁷⁵⁰ = 1.

Подставляя все значения в формулу (1), получаем:

Рz = 10 • 491 • 30^1,0 • 0,05^0,75 • 80^1,1 • 4 • 1 = 6983,1 Н.

1 10^1,3 • 70^0,3

Рассчитываем силу зажима для фрезерования:

Wo = k •Pz • D • 1, (2)

1 d • м₁

где Pz - сила резания,

D - диаметр обработки максимальный, равный 10 мм;

d - диаметр зажима, равный 10 мм;

м₁ - коэффициент трения сопротивления прокручивания, по табл. 52 [11]

м₁ = 0,15 ч 0,3 для незакаленной стали;

k - коэффициент запаса;

k = k ₀ · k ₁ · k ₂ · k ₃ · k ₄ · k ₅;

k = 1,5 ·1· 1· 1· 1· 1,2 = 1,8.

Подставляем выбранные значения коэффициентов в формулу (2), получаем:

Wo = 1,8 • 6983,1 • 10 • 1 = 83797,2 Н.

1 10 • 0,15

4.2 Расчет цанги поворотной сверлильной головки на усилие зажима

Расчет усилия зажима цанги при сверлении ведется аналогично предыдущему расчету.

Расчет сил резания при сверлении:

Ро = 10 • Сp• D^q • s^y • Кр,

где значение коэффициента Ср и показателей степени приведены в табл. 32 [12]:

Ср = 68; у = 0,7; q = 1,0.

s - подача, s = 0,2 мм/мин;

D - диаметр сверла, D = 8 мм;

Кр - коэффициент, учитывающий фактическое условие обработки, в данном случае зависит только от материала обрабатываемой заготовки и определяется выражением:

Кр = Кмр по табл [11].

Кмр = (у_в / 750)^n, n = 0,75,

Кр = Кмр = (1500 / 750)^0,75 = 1,68.

Подставляя все значения в формулу, получаем:

Ро = 10 • 68 • 8^1,0 • 0,2^0,7 • 1,68 = 2962,3 Н.

Рассчитываем силу зажима при сверлении:

Wo = k •Pо • D • 1,

1 d • м₁

где Pо - осевая сила резания, Ро = 2962,3 Н;

D - диаметр обработки, D = 8 мм;

d - диаметр зажима, d = 8 мм;

м₁ - коэффициент трения сопротивления прокручивания, [11]

м₁ = 0,15 ч 0,3 для незакаленной стали;

k - коэффициент запаса;

k = k ₀ · k ₁ · k ₂ · k ₃ · k ₄ · k ₅;

k = 1,5 ·1· 1· 1· 1· 1,2 = 1,8.

Подставляем выбранные значения коэффициентов в исходную формулу, получаем:

Wo = 1,8 • 2962,3 • 8 • 1 = 35547,6 Н.

1 8 • 0,15

Таким образом, при фрезеровании цанга должна обеспечить зажим фрезы с силой 83797,2Н, а при сверлении 35547,6Н.

4.3 Расчет режущего инструмента

Расчет сверла спирального.

Исходные данные:

Диаметр D =8 мм;

длина l = 50 мм;

у_в = 1500 МПа.

1. Выбираем инструментальный материал по табл. 2, стр. 115 [Кос. т. 2] сталь Т15К6.

2. Рассчитываем рекомендуемый передний угол по формулам Ларина. Полученное значение угла округляем до целого:

3.

;

c = -5, x = +8,

= -128є.

4. Выбираем угол наклона перемычки сверла ш = 55є и угол заборного конуса 2ц в зависимости от обрабатываемого материала:

2ц = 118є.

Рассчитаем толщину перемычки:

m = (0,1…0,2) D;

m = 1,2 мм.

Рассчитаем наименьший диаметр сверла d₀, на котором выполняют передний угол:

d₀ = ;

d₀ = = 1,6 мм.

dср = ;

d_ср = = 4,8 мм.

.

Угол подъема винтовой канавки щ равен:

щ = ;

щ =;

щ = arctg3;

щ = 79,5є ? 80 є.

5. Рассчитаем значение переднего угла на диаметре:

d₀, D, , .

Для d₀: ;

;

= 0,0889; = 5,65є.

Для D: ;

;

= 3,7575; = 83є.

Для : ;

;

= 1,2966; = 58є.

Для : ;

;

= 2,9643; = 79,3є.

6. Выбираем длину сверла L_с, длину рабочей части l_р по табл. 42, стр. 146 ГОСТ 10902-77 [Кос. т. 2]:

L_с = 117 мм; l_р = 75 мм.

7. Проверяем: l_р ? l +15…20 мм;

75 = 50 + 15 мм.

условие выполняется.

8. Режимы резания.

t = ;

t = = 4 мм;

s = 0,2 мм/об;

v = ;

где значения коэффициента C_v и показателей степени приведены в табл. 28 [Кос. т. 2]:

C_v =7; q = 0,4; y =0,7; m = 0,2.

T =8, по табл. 30 [Кос. т. 2].

k_v = k _mv · k_nv · k_lv;

k_v = ; n_v = 1; k_r = 1;

k_v = = 0,5

k_nv = 0,8, по табл. 6 [Кос. т. 2],

k_lv = 0,7, по табл. 31 [Кос. т. 2].

k_v = 0,5 · 0,8 · 0,7 = 0,28;

v = = 9,17 м/мин.

9. Рассчитываем крутящий момент М_кр и осевую силу Р₀:

М_кр = ;

Р₀ = .

Значения коэффициентов C_m и C_p и показателей степени приведены в табл. 32 [Кос. т. 2]:

C_m = 0,0345; C_p = 68;

q = 2; q = 1,0;

y = 0,8; y = 0,7.

K_р = k_мр = ; n = 0,75;

K_р = = 1,68.

М_кр = 10 · 0,0345 · 8² · 0,2^0,8 ·1,68 = 10,24 Н · м;

Р₀ = 10 · 68 · 8¹ · 0,2^0,7 ·1,68 = 2962,3 Н · м.

10. Найдем момент трения на хвостовике:

М_тр = ; f = 0,1;

М_тр = = 1185,1.

Проверяем: М_тр > М_кр

1185,1 > 10,24.

11. Конструктивные элементы:

- ширина ленточки сверла:

f = (0,04…0,06) D = 0,4 мм;

- шаг винтовой канавки:

H = ;

H = = 8,2 мм.

Заключение

В дипломном проекте был проведен анализ базового технологического процесса и выявлены следующие недостатки:

1. Низкий коэффициент использования материала при получении заготовки (k=0.5).

2. Недостаточная производительность и качество обработки поверхности корпуса.

3. Наличие термических напряжений после азотирования.

Целью дипломного проекта является повышение производительности и точности изготовления корпуса сборной специальной кассетной фрезы внутреннего зацепления.

Предложены следующие мероприятия по решению перечисленных проблем:

1. Материал детали - сталь 38ХМА заменен на сталь 19ХГН.

2. Свободная ковка заменена ковкой в прокладных штампах, что приводит к увеличению коэффициента использования материала и уменьшению припусков на обработку.

3. Заменен метод термообработки. Вместо азотирования предложен метод нитроцементации. Нитроцементация проводиться перед операцией шлифования, поэтому деформация корпуса после термической операции устраняется на шлифовальных операциях.

Предложенные решения принесли следующие результаты:

1. Увеличен коэффициент использования материала при получении заготовки.

2. Уменьшен припуск на механическую обработку (уменьшено количество токарных операций).

3. Устранена деформация корпуса из-за термических напряжений.

4. Повышена точность изготовления корпуса фрезы.

5. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий составил рублей.

Список литературы

Андреев Г.Н., Новиков В.Ю., Схиртладзе А.Г. Проектирование технологической оснастки - М: Высшая школа, 1999 - 415 с.

Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка - М: Машиностроение, 1987-326 с.

Бухтояров Г.В., Гусев С.А. Прогрессивные конструкции и технологии изготовления крупногабаритных фрез, применяемых при обработке коленчатых валов. / Обзорная информация. Тольятти, ЦНИИТЭИ автопрома, 1987-48 с.

Горина Л.Н. Обеспечение безопасных условий труда на производстве. Учебное пособие, ТГУ.

Инструментальное обеспечение автоматизированных производств / В.А. Гречишников, А.Р. Маслов, Ю.М. Соломенцев и др. М: Высшая школа, 2001 - 271 с.

Методические указания к экономическому обоснованию дипломных проектов по совершенствованию технологических процессов механической обработки деталей / Составила Шушкина Ж.В., ТГУ, 2002 г.

Палей М.М. Технология производства металлорежущих инструментов. М: «Машиностроение», 1987 - 486 с.

Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник - М: «Машиностроение».

Проектирование технологических процессов / И.П. Филонов, Г.Я. Беляев, Л.М. Кожуро и др. - Минск: «Технопринт», 2003 - 910 с.

Режущий инструмент / Д.В. Кожевников, В.А. Гречишников, С.В. Кирсанов и др. М: Машиностроение, 2004 - 512 с.

Справочник технолога-машиностроителя т. 1 / Под ред. Косиловой А., Мещерякова Р.К. - М: «Машиностроение», 1985 - 656 с.

Справочник технолога-машиностроителя т. 2 / Под ред. Косиловой А., Мещерякова Р.К. - М: «Машиностроение», 1985 - 556 с.

Справочник инструментальщика / Под ред. Ординарцева И.А. - М: «Машиностроение», 1987 - 946 с.

Справочник конструктора-инструментальщика / Под ред. Баранчикова М. - М: «Машиностроение», 1994 - 560 с.

Технология изготовления режущего инструмента. Методические указания по курсовому проектированию. Составил Малышев В.И., ТГУ, Тольятти, 2003 - 40 с.

Технология машиностроения: В 2-х кн., кн. I / Э.Л. Жуков, И.И. Козарь, С.Л. Мурашкин и др. - М: Высшая школа, 2003 - 278 с.

Шапошников Д.Е. Изготовление поковок на горячештамповочных молотах. - М: «Машиностроение», 1987 - 326 с.