6.5. Особенности выполнения основных операций обработки валов

При выполнении основных операций изготовления ступен­чатых валов за установочные базы принимают поверхности центровых отверстий заготовки. Если заготовку устанавливают на плавающий передний центр, то установочной базой будет торец заготовки, примыкающий к торцу переднего центра. Примене­ние плавающего переднего центра исключает погрешность бази­рования при выдерживании длин ступеней от левого торца.

Рассмотрим отдельные операции обработки заготовок сту­пенчатых валов.

Рисунок 6.3 – Автоматическая линия для обработки вала быстроходного

Таблица 6.4 – Схемы технологического процесса изготовления первичного, вторичного и промежуточного валов коробки передач

Операция механической обработки	Вал
	Первичный (сталь 20ХГМ)	Вторичный (сталь 20ХГНМ)	Промежуточный (сталь 15ХГНТ2А)
Центровальная Черновая токарная Чистовая токарная Правка Черновое шлифование шеек под подшипник Токарная Нарезание шлицев Накатывание рифлений Фрезерование зубьев Долбление зубьев Закругление зубьев Шевингование зубьев Сверление отверстий Фрезерование шпоночных пазов Нарезание резьбы Термообработка Зачистка центров Правка Окончательное шлифование шеек Шлифование отверстия под подшипник Хонингование отверстия под подшипник Микрофиниширование шеек вала Хонингование зубьев венцов Обкатка с эталонной шестерней Промывка Окончательный контроль	+ + + - + + + - + - + + + - - + - - + + + + + + + +	+ + + + + - + + - - - - + + + + + + + - - П - - + +	+ + + - - - - - + + + + + + + + + + + - - - + + + +

Примечание. Знаком «+» обозначено выполнение операции, знаком «-» — недо­пустимость ее применения, знаком «П» — операция полирования.

Подрезание торцов и центрование. Первые техноло­гические переходы при изготовлении ступенчатых валов — подго­товка технологических баз, т.е. подрезка торцов и их зацен­тровка. В зависимости от масштаба выпуска валов эти переходы можно выполнять с применением различного оборудования. При обработке заготовок нежестких валов необходимо дополнительно проточить или прошлифовать шейки под люнет.

Торцы заготовок имеют дефекты, обусловленные способом получения заготовок (штамповочные уклоны, сколы, неперпенди­кулярность и т.п.). Поэтому первой операцией обычно является обработка торцов с целью устранения дефектов и получения об­щей длины вала в пределах, заданных чертежом. Исключение составляют заготовки, полученные на отрезных автоматах или токарно-отрезных станках, обеспечивающих точность по длине в пределах 0,5 мм.

Торцы, имеющие припуск, можно обрабатывать на токарных и фрезерных станках, фрезерно-центровальных, протяжно-цен­тровальных полуавтоматах. Полуавтоматы применяют в крупно­серийном и массовом производстве. В средне- и мелкосерийном производстве эти операции выполняют на фрезерно-центроваль­ных станках ФЦ-1 и ФЦ-2. Центрование отверстий осуществляют центровыми сверлами. Размеры отверстий назначают в зависи­мости от диаметра заготовок.

При обработке на фрезерно-центровальном полуавтомате МР-76М барабанного типа (рисунок 6.4): сначала устанавливают заготовку (позиция I); затем выполняют фрезерование торцов (позиция II) и центрование отверстий (позиция III). На каждой позиции инструмент имеет индивидуальную подачу. После окон­чания обработки барабан с приспособлениями поворачивается на угол 120° для смены позиций.

Рисунок 6.4. – Схема обработки заготовки на фрезерно-центровальном полуавтомате МР-76М

Токарная обработка. Основным методом получения поверхностей деталей типа тел вращения является токарная обработка. При черновой обработке заготовок ступенчатых валов на токарных станках, когда в качестве заготовки взят прокат, важно правильно выбрать последовательность обработки отдель­ных ступеней.

Рассмотрим черновую обработку одного конца ступенчатого вала из проката диаметром 100 мм (рисунок 6.5, а). Возможные варианты обработки ступеней этого вала показаны на рисунке 6.5, б-д.

По первой схеме (рисунок 6.5, б) каждая последующая ступень обрабатывается отдельно после выполнения предшествующей сту­пени; при этом общая длина рабочего хода резца 400 мм, длина холостого хода 400 мм, глубина резания 3,5...11 мм. При обработке по второй схеме (рисунок 6.5, в): длина рабочего хода равна 550 мм, а длина холостого хода равна 550 мм; по третьей схеме (рисунок 6.5, г): длина рабочего хода равна 650 мм, а длина холостого хода равна 650 мм, по четвертой схеме (рисунок 6.5, д): длина рабочего хода равна 800 мм, а длина холостого хода равна 800 мм.

Наименьшая длина как рабочего хода, так и холостых перемещений резца получается при обработке по первой схеме. Следовательно, она обеспечивает наибольшую производительность. Однако при недостаточной мощности станка работа с большой глубиной резания (t = 3,5...11 мм) может оказаться невозмож­ной. В этом случае наибольшая производительность будет при работе по четвертой схеме.

На рациональный выбор той или иной схемы обработки заго­товок ступенчатых валов оказывает влияние и жесткость техно­логической системы.

Рисунок 6.5. – Схема черновой обработки заготовок ступенчатых валов

Выбор станков для токарной обработки заготовок деталей ва­лов определяется типом производства и конструкцией последних. В индивидуальном производстве обработку обычно ведут на уни­версальных станках и станках с программным управлением (для крупных валов). В мелко- и среднесерийном производстве исполь­зуют токарно-револьверные станки и станки с программным управ­лением. В крупносерийном и массовом производстве обработку валов ведут на токарных многошпиндельных автоматах, много­резцовых и гидрокопировальных полуавтоматах.

Использование станков с программным управлением снижает вспомогательное время в 2-10 раз, уменьшает брак (особенно при обработке заготовок сплошных валов) и позволяет применять многостаночное обслуживание.

На многошпиндельных автоматах обрабатывают заготовки валов из пруткового материала небольшой длины (до 200 мм).

Многорезцовая обработка обеспечивает сокращение основного времени за счет уменьшения длины резания. Ее использование наиболее целесообразно при обработке заготовок ступенчатых валов, когда ступени располагаются по возрастающей. Обработку можно выполнять по трем схемам (рисунок 6.6). Чтобы полностью использовать преимущества многорезцовой обработки, необхо­димо обеспечить одновременную работу всех суппортов.

Рисунок 6.6. – Варианты обработки заготовки вала на многорезцовом полуавтомате: 1-3 — резцы

При использовании проката в качестве заготовки обработку ведут по методу деления припуска: Z1, Z2, Z3 (рисунок 6.6, а), так как на участках с меньшими диаметрами припуск получается большим.

При изготовлении валов из ступенчатых заготовок ход про­дольного суппорта определяется длиной ℓ1 наибольшей ступени (рисунок 6.6, б) или ℓ3 наименьшей ступени (рисунок 6.6, в). В послед­нем случае для обработки остальных ступеней устанавливают по нескольку резцов. Количество резцов в наладке лимитируется жесткостью обрабатываемых деталей, мощностью станка и слож­ностью конструкций резцедержателей.

По производительности многорезцовое обтачивание не всегда имеет преимущество перед обтачиванием на гидрокопировальных полуавтоматах, что объясняется большими затратами подготови­тельно-заключительного времени и времени технического обслу­живания. Обработка ведется на пониженных скоростях резания.

Обработка на гидрокопировальных полуавтоматах имеет ряд преимуществ перед многоинструментной обработкой. Малое число резцов и простая установка копира сокращают время на наладку станка, допускают обработку на высоких скоростях. Это позволяет применять данные станки и в серийном производстве.

Рисунок 6.7. – Схема обработки заготовок вала на гидрокопировальном станке: 1— щуп; 2 — копир; 3 — барабан

На гидрокопировальных станках (рисунок 6.7) выполняют пред­варительную и чистовую обработку заготовок нежестких валов, чистовое точение заготовок с длинными шейками вала, которые из-за высоких требований к шероховатости нельзя обрабатывать на многорезцовых станках путем деления длины. Обработка обеспечивает более высокую точность (обычно выдерживается допуск 0,05...0,06 мм). Выпускаемые модели гидрокопироваль­ных станков позволяют обрабатывать валы диаметром до 320 мм и длиной до 1600 мм.

Шлифование валов. При обработке заготовок деталей типа валов в машиностроении задачу образования основных конст­руктивных поверхностей вращения в большинстве случаев уда­ется решить токарной обработкой. Однако при обработке шеек валов по квалитетам 6...8 при шероховатости Ra = 2,5...0,63 мкм и выше экономичнее применять шлифование. Оно является основ­ным при обработке закаленных поверхностей валов. В связи с развитием силового шлифования обработку шеек жестких валов ведут сразу на круглошлифовальных станках вместо предвари­тельного многорезцового обтачивания. При этом с заготовки, получаемой путем точной штамповки, снимают припуск на сто­рону 2,0...2,5 мм.

В технологическом маршруте обработки заготовок валов шлифовальные операции могут занимать различное место в за­висимости от конструктивных и технологических особенностей деталей. При обработке заготовок, подвергнутых закаливанию, шлифовальные операции являются завершающими. При этом часто возникает необходимость правки центровых отверстий (путем их зачистки, притирки, шлифования и т.п.) для снятия окалины и устранения дефектов, образовавшихся в процессе термообработки.

Шлифование термически необработанных валов выполняют после окончания всех фрезерных, сверлильных и других опера­ций, что предохраняет шлифованные поверхности от поврежде­ния при дальнейшей обработке и транспортировке. Выполнение шлифования после токарной обработки повышает точность обра­ботки, так как поверхности не прерываются шпоночными пазами, лысками, отверстиями. Такая последовательность создает удоб­ства для выполнения дальнейшей механической обработки. Окон­чательно обработанные шейки вала можно использовать в каче­стве установочных и измерительных баз.

Шлифование валов производят на круглошлифовальных и бес-центрово-шлифовальных станках одним из существующих спо­собов (рисунок 6.8).

Продольную подачу применяют при обработке поверхностей значительной длины. Шейки малой длины обрабатывают путем врезания. В массовом производстве шлифование этим способом часто выполняют по автоматическому циклу с применением приборов активного контроля, которые выключают поперечную подачу при достижении заданного размера. При обработке на бесцентрово-шлифовальных станках не требуется баз для уста­новки и крепления деталей. Гладкие валы (пальцы, оси) на этих станках шлифуют способом продольной подачи. Простота обра­ботки позволяет в массовом производстве компоновать автома­тические линии из таких станков с простейшей транспортной системой и приборами активного контроля для черновой и получистовой обработки.

Рисунок 6.8. – Схемы обработки заготовок валов: а — на круглошлифовальных станках; б — на бесцентрово-шлифовальных; I — способом продольной подачи; II — способом глубинного шлифования; III — способом поперечной подачи (врезания); IV — способом продольной подачи; V — способом поперечной подачи

Фрезерная обработка. Валы имеют ряд конструктивных элементов, необходимых для установки и крепления зубчатых колес, втулок, шкивов, звездочек и других деталей. К таким элементам относятся лыски, шпоночные пазы, шлицевые по­верхности. В мелкосерийном и индивидуальном производстве фрезерование лысок, шпоночных пазов выполняют на универ­сальных горизонтально- и вертикально-фрезерных станках.

Шпоночные канавки под сегментные шпонки фрезеруют диско­выми пазовыми фрезами, радиус которых соответствует радиусу паза. Фрезерование врезных шпоночных канавок обычно выпол­няют концевыми фрезами. Для облегчения врезания фрезы на входе канавки высверливают отверстия диаметром, равным ширине паза.

В крупносерийном и массовом производстве для фрезерова­ния врезных шпоночных пазов используют специализированные шпоночно-фрезерные станки, работающие по принципу маятни­ковой подачи с углублением фрезы на 0,2...0,3 мм на каждый ход. При этом нет необходимости высверливать отверстия. При наличии на валу нескольких шпоночных пазов обработку ведут на многошпиндельных шпоночно-фрезерных станках. Операцию фрезерования лысок в серийном и массовом производстве выпол­няют обычно в многоместных приспособлениях. Двусторонние лыски обрабатывают на многошпиндельных станках с помощью набора дисковых фрез. Наиболее производительным процессом обработки лысок может быть протягивание на станках для на­ружного протягивания.

Шлицевые поверхности валов по конструкции могут быть прямобочными, треугольными, эвольвентными. Шлицевые соеди­нения с прямобочными шлицами можно выполнять с центрова­нием втулки по внутреннему и наружному диаметрам, соедине­ния с эвольвентными и треугольными шлицами — с центрованием по боковым поверхностям.

На шлицевые соединения устанавливают жесткие нормы точ­ности и технические условия. Так, допустимые отклонения, не­равномерность шага шлицев и смещение их относительно оси не должны превышать 0,02...0,03 мм.

Обработку шлицев на валах можно выполнять фрезеровани­ем, строганием, долблением, протягиванием и накатыванием. Наиболее распространено фрезерование на шлицефрезерных станках обкаткой. Этим же способом можно фрезеровать шлицы всех профилей на зубофрезерных станках. Обработка ведется червячными фрезами за один или два (при диаметре 80 мм) про­хода.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве обработку шлицев можно выполнять на фрезерных станках общего назначения, применяя копирование и профильные фрезы. Для деления вала на заданное число шлицев применяют универсальные делительные головки.

Строгание шлицев на валах выполняют многорезцовыми строгальными головками способом копирования. Долбление можно осуществлять многорезцовыми головками путем копирования и долбяками путем обкатки. Этими способами обычно обраба­тывают короткие шлицевые поверхности.

Значительно более производительным (в 5-10 раз) по сравне­нию с фрезерованием является протягивание, которое широко применяется для обработки открытых шлицевых пазов, чтобы инструмент имел выход. При протягивании пазов с радиальным выходом усложняется конструкция протяжки (выдвижные зубья).

При изготовлении шлицевых поверхностей практически лю­бого размера наиболее перспективным является процесс холод­ного накатывания шлицев. Накатывание можно осуществлять рейками, валиками, роликами, многороликовыми профильными головками. Согласно экспериментальным данным накатанные шлицы при скручивании на 10...20 % прочнее шлицев, получен­ных резанием.

Рассмотренные способы получения шлицевых поверхностей обычно позволяют добиваться требуемого качества без дополни­тельной обработки.

Рисунок 6.9. – Схемы шлифования шлицев

Шлицы закаливаемых валов шлифуют на шлицешлифовальных полуавтоматах. Схемы шлифования зависят от способа центро­вания. Так, при центровании по внутреннему диаметру шлифова­ние может производиться профильным кругом с одновременным шлифованием боковых поверхностей (рисунок 6.9, а). При центро­вании по наружному диаметру боковые поверхности шлифуются двумя кругами (рисунок 6.9, б). Шлифование наружной поверхности выполняется на обычных круглошлифовальных станках.

Сверление отверстий. Для получения отверстий на торцах или поверхностях вращения валов используют сверлильные операции. Обработку концентрических отверстий на торцах валов можно выполнять в процессе подготовительных операций на фре-зерно-центровальных полуавтоматах. При этом вместо центро­вального сверла используют спиральное сверло требуемого диа­метра. При сверлении глубоких отверстий (длина в пять раз больше диаметра) применяют сверла для глубокого сверления с принудительной подачей охлаждающей жидкости в зону реза­ния. Обработку ведут на горизонтально-сверлильных и сверлиль­ных станках для глубокого сверления. Остальные отверстия обрабатывают на сверлильных станках общего назначения с ис­пользованием специальных приспособлений — кондукторов. Для повышения производительности можно применять много­местные приспособления.

Если в валах надо обработать большое количество отверстий, то целесообразно применять агрегатные многошпиндельные стан­ки. Если отверстия занимают определенное угловое положение относительно ранее обработанных пазов, лысок и других элемен­тов в конструкции приспособлений, то следует ввести дополнитель­ные установочные элементы (ориентировочные). Для направления инструмента приспособления снабжают кондукторными втулками.

В индивидуальном и мелкосерийном производстве сверление отверстий выполняют по разметке, без применения каких-либо специальных приспособлений. В среднесерийном производстве можно использовать сверлильные станки с программным управ­лением. В качестве приспособлений наиболее экономично при­менять универсально-сборные приспособления.

Нарезание резьбы. На валах нередко предусматривается нарезание резьб как на наружных поверхностях, так и в отвер­стиях. Нарезание резьб в отверстиях в большинстве случаев вы­полняют метчиками при совмещении с токарными операциями (при нарезании резьб в торцовых концентрических отверстиях) или отдельно на специализированных резьбонарезных станках. Нарезание резьб метчиками выполняют с реверсированием вра­щения метчика в конце рабочего хода для вывинчивания и без реверсирования — со сквозным проходом метчика через обрабатываемое отверстие. Для крепления метчиков на станках ис­пользуют специальные патроны, дающие некоторую свободу перемещения метчика в продольном и радиальном направлениях для возможности его самоустановки по обрабатываемой детали.

Нарезание внутренних резьб резцами, резьбонарезными голов­ками, резьбофрезерованием и накатыванием применяют обычно при достаточно больших диаметрах резьбы.

Получение наружных резьб в технологическом маршруте обра­ботки валов занимает различное место. Нарезание резьб может быть переходом к операции токарной обработки или самостоя­тельной операцией. При указании места этой операции в техноло­гическом маршруте необходимо учитывать размеры и точность изготовления резьбы, насыщенность токарной операции, объем партии деталей и т.д. Эти же факторы обусловливают выбор одного из следующих способов нарезания резьбы: резцами, гребенками, плашками, резьбонарезными самораскрывающимися головками, фрезерованием, шлифованием, накатыванием.

Нарезание резьб резцами и гребенками выполняют в основном в единичном и мелкосерийном производстве на токарно-винто-резных станках. Процесс малопроизводителен вследствие боль­ших затрат времени на холостые ходы и невозможности работы на высоких скоростях. Этот способ используют при нарезании нестандартных резьб, червяков, прямоугольных резьб, при по­лучении резьб, строго соосных с другими поверхностями валов.

Нарезание резьб круглыми плашками выполняют на токар­ных и револьверных станках, автоматах и полуавтоматах. Держав­ки, применяемые для установки плашек, должны давать некото­рую свободу перемещения плашки в продольном и радиальном направлениях. Нарезание резьб плашками не обеспечивает высо­ких качеств резьбы и производительности вследствие наличия у плашки нешлифованного профиля резьбы, работы на низких скоростях и больших затрат времени на свинчивание плашки.

Получение резьбы более высокого качества и с большей произ­водительностью достигается применением самораскрывающихся резьбонарезных головок (рисунок 6.10). Головка снабжена четырьмя круглыми или призматическими плашками, имеющими шли­фованные рабочие поверхности. В конце рабочего хода плашки раздвигаются, обеспечивая быстрый отвод головки. Такими го­ловками нарезают резьбу на револьверных станках, токарных автоматах и полуавтоматах. Если нарезание резьбы планируется отдельной операцией, то применяют болтонарезные станки.

Рисунок 6.10. – Самораскрывающаяся резьбонарезная головка: а — схема; б — общий вид

Фрезерование резьбы выполняют на резьбофрезерных стан­ках дисковыми (при фрезеровании длинных резьб) и гребенча­тыми (при фрезеровании коротких резьб) фрезами. Валы машин имеют обычно короткие резьбы, поэтому наибольшее примене­ние получило фрезерование гребенчатыми фрезами (рисунок 6.11), обеспечивающее высокую производительность и точность обра­ботки резьб.

Рисунок 6.11. – Схема фрезерования коротких резьб гребенчатой фрезой

Шлифование резьб при изготовлении деталей машин практи­чески не применяют. Необходимость применения этого способа может возникнуть при изготовлении резьб очень высокой точ­ности или при получении резьб на закаленных деталях. Тогда шлифование производят на резьбошлифовальных станках одно- или многониточными кругами.

Самым производительным способом получения резьб являет­ся накатывание (в 10-20 раз производительнее нарезания резь­бовыми головками). Накатыванием получают резьбы квалитета точности 6.

Наивысшей производительности изготовления валов в круп­носерийном и массовом производстве достигают созданием авто­матических линий, которые компонуют из токарных (гидрокопи­ровальных и многорезцовых) и фрезерно-центровальных полу­автоматов, шлифовальных станков и оснащают транспортными и загрузочными устройствами, средствами активного контроля и блокировки.