Технологический процесс механической обработки шатуна (технологический раздел дипломного проекта)

3. Расчетно-конструкторская часть
3.1. Анализ действующего технологического процесса
При изготовлении детали используются автоматические линии и специальные станки, в связи с постепенным уменьшением объемов производства использование автоматических линий не целесообразно, и при данных условиях производства возможна замена автоматических линий на станки с ЧПУ и обрабатывающие центры.
3.2. Проектирование варианта технологического процесса. Выбор оборудования, оснастки, режущего инструмента
Таблица 3.1.- Карта исходных данных
No
пов Квалитет,
шерох-ть
мкм Тех. требования
 Вид обработки Тех.
решение по
обеспечению
Т.Т.
  детали заготовки  
1 6
0,8 Нецилиндричность не более 0,003 мм - Черновое растачивание
Чистовое растачивание Тонкое растачивание
Хонингование -
2 6
0,8 Нецилиндричность не более 0,006 м - Черновое растачивание
Чистовое растачивание Тонкое растачивание
Хонингование -
3,4,5,6 11
1,25 Непараллельность не более 0,06 мм - Черновое фрезерование
Чистовое фрезерование
Шлифование При обработки 3,5 за технологические базы принять 4,6
7,8,9,
10,11,12,13,20,22 14
5 - - Черновое фрезерование -
14,16,
15,17 11
5 - - Сверление
Нарезание резьбы -
18,19 14
5 - - Сверление -
21 14
5 - - Протягивание -
На основании вышеизложенного составим маршрут для данной детали:
10 Фрезерная Станок 630 VH
установ 1: Фрезеровать начерно поверхность 4,6
установ 2: Фрезеровать начерно поверхность 3,5,7,8,9,10,11,12,13
20 Фрезерно-расточная Станок 630 VH
установ 1: Расточить начерно отверстия 1,2
усианов2: Расточит фаски отверстий 1,2
установ 3: отрезать крышку от шатуна с образованием поверхности 21
30 Протяжная Станок 7Б56У
установ 1: Протянуть поверхность 21
40 Фрезерно-расточная Станок 630 VH
установ 1: Сверлить отверстия 14,16,18,19
установ 2: Расточить отверстия14,16
Нарезать резьбу 15,17
Фрезеровать поверхность 22
60 Фрезерная Станок ГФ 2171
установ 1: Расточить начисто поверхность 1,2
Расточить начисто фаски отверстий 1,2 с одной стороны
установ 2: Расточить начисто фаски отверстий 1,2 с одной стороны
установ 3: Фрезеровать начисто поверхность 4,6
установ 4: Фрезеровать начисто поверхность 3,5
70 Торцешлифовальная с ЧПУ Станок 3Т160
установ 1: Шлифовать поверхность 4,6
установ 2: Шлифовать поверхность 3,5
80 Прессовая Пресс PVE-25
установ 1: Запрессовать втулку
90 Контрольная
Подгонка веса
100 Алмазно-расточная Станок OC2705
установ 1: Расточить начисто отверстия 1,2
110 Хонинговальная Станок СС439
установ 1: хонинговать отверстия 1,2





3.2. Выбор баз и схем базирования
На фрезерных и расточных операциях используется схема базирования:

Рисунок 3.1. – Базы при фрезеровании и растачивании
Так как требования к разностенности одной головки шатуна более жёсткие, базирование обеспечивается по продольной плоскости симметрии и опорной базе на контуре более точной головки.
Торцевые поверхности являются установочной базой (лишает трех степеней свободы: перемещение вдоль оси Z и вращение вокруг осей X и Y). Малая и большая головка шатуна - направляющая и опорная (лишает шатун трёх степеней свободы: перемещение по осям Х,Y, вращение вокруг оси Z).
 
На протяжной операции используется схема базирования:

Рисунок 3.2. – Базы при протягивании
Торцевые поверхности являются установочной базой (лишает трех степеней свободы: перемещение вдоль оси Z и вращение вокруг осей X и Y). Плоскость разъёма шатуна – направляющая (Перемещение по оси У, вращение вокруг оси Z). Отверстие в большей головке шатуна – опорная. Лишает шатун 1 степени свободы (перемещение по оси Х).
  На сверлильных и расточных операции при обработки мелких отверстий в головках шатуна используется схема базирование:

Рисунок 3.3. – Базы при сверлении и растачивании
Торцевые поверхности являются установочной базой (лишает трех степеней свободы: перемещение вдоль оси Z и вращение вокруг осей X и Y). Бобышка на малой головке шатуна - опорная (перемещение по оси Х).Бобышка на малой и большой головке шатуна - направляющая. Лишает шатун 2 степеней свободы (перемещение по оси Х, вращение вокруг оси Z).

3.3.Расчет режимов резания, техническое нормирование
 1.Операция 060 Фрезерная с ЧПУ. Станок ГФ 2171.
Паспортные данные станка
диапазон частот вращения шпинделя 40...2000 об/мин;
частота вращения шпинделя n, об/мин: 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250,
315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000;
пределы подач стола, мм/мин: 3...4800 мм/мин;
регулирование подачи – бесступенчатое;
мощность привода главного движения – 19 кВт.
Исходные данные
материал заготовки сталь 40Х Мпа;
глубина резания t=1 мм;
выбор инструментального материала
при чистовом фрезеровании поверхностей 3,4 и обрабатываемом материале –
сталь 40Х выбираем марку твердого сплава Т5К10 ;
Выбор и расчет режимов резания
Ширина фрезерования В=128 мм; диаметр торцевой фрезы D=(1,2...1,5)128=155 мм; количество зубьев фрезы    (3.1.)
Выбор подачи
Подачу на зуб для обработки поверхности выбираем по карте
SZt = 0,28 мм/зуб
Выбранное значение подачи корректируем с учетом поправочных коэффициентов SZ = SZt KSM KSИ KSj KSР KSС KSВ KSО   (3.2.)
По карте выбираем поправочные коэффициенты для измененных условий работы в зависимости от:
- твердости обрабатываемого материала KSM = 0,95;
- материала режущей части фрезы KSИ = 1;
- главного угла в плане KSj = 1;
- способа крепления пластины KSР = 1;
- схемы установки фрезы KSС = 0,5;
- отношения фактической ширины фрезерования к нормативной KSВ = 1,3
- группы обрабатываемости материала KSО = 1.
SZ = 0,28 0,95 1 1 1 0,5 1,3 1 = 0,17 мм/зуб   
Подача, допустимая по шероховатости обрабатываемой поверхности
SZ = 0,4 мм/зуб
Окончательно принимаем минимальное значение SZ = 0,17 мм/зуб.
S=z•SZ =8• 0,17=1,36 мм/об.
Выбор скорости резания
Скорость резания выбираем с учетом поправочных коэффициентов в зависимости от:
- твердости обрабатываемого материала КVM = 0,9;
- материала режущей части фрезы КVИ = 1;
- состояния поверхности заготовки КVП = 0,8;
- главного угла в плане КV = 1;
- отношения ширины фрезерования к диаметру фрезы КVВ = 1;
- периода стойкости режущей части фрезы КVТ = 0,7 (Т = 180 мин);
- способа крепления пластины и наличия покрытия КVР = 1;
- наличия охлаждения КVЖ = 0,85;
- группы обрабатываемости материала КVО = 1.
VТ = 412 м/мин;
V = VT КVM КVИ КVП КVj КVВ КVТ КVР КVЖ КVО = 356 0,9 1 0,8 1 1 0,7 1 0,85 1 = 177 м/мин.           (3.3.)
Выбор частоты вращения шпинделя
n = 1000V/D = 1000177/(3,14155) = 364 об/мин.      (3.4.)
Сила резания касательная
Pz=Pzт*Kpo*Kpм*Kpz*KpB= =2890*0.9*1.35*1.5*0.5=2634 H    (3.5.)
где Kpo, Kpм, Kpz, KpB – коэффициенты, учитывающие группу обрабатываемого
материала, твердость обрабатываемого материала, число зубьев фрезы и
ширину фрезерования соответственно;

Определение мощности резания
NТ = 9,85 кВт.
Выбранную мощность резания корректируем в зависимости от:
- твердости обрабатываемого материала КNM = 1,05;
- состояния поверхности заготовки КNП = 0,8;
- главного угла в плане КNj = 1;
- отношения ширины фрезерования к диаметру фрезы КNВ = 1,2;
N = NT КNM КNП КNj КNВ = 9,85 1,05 0,8 1 1,2 = 8,4 кВт  (3.6.)
Определение минутной подачи
Минутную подачу рассчитываем по формуле
SM = SZ z n = 0,178400 = 544 мм/мин      (3.7.)
Основное время автоматической работы станка по программе  определяется по формуле: , мин          (3.8.)
где длина обрабатываемой поверхности,
мм ; длина подвода, мм;
длина врезания и перебега, мм;
мин;
машинно-вспомогательное время определяется по формуле:
Тмв=Тмви+Тмвх, мин; где Тмви – машинно-вспомогательное время на автоматическую смену инструмента, Тмви=0,2 мин;
Тмвх – машинно-вспомогательное время на выполнение автоматических вспомогательных ходов и технологические паузы,
, мин           (3.9.)
где Lхх – длина холостого хода,
, мм          (3.10)
где , , расстояние от точки «0» до точки выхода фрезы на
эквидистанту по соответствующим осям координат станка
мм, мм, мм;
мм;
подача холостого хода, мм/мин;
мин; мин;
время автоматической работы станка определяется по формуле:
, ,мин        (3.11.)
Норма штучного времени определяется по формуле:
, мин        (3.12.)
где вспомогательное время,
, мин          (3.13.)
где время на установку и снятие, закрепление и открепление детали,
мин
вспомогательное время, связанное с операцией, мин
вспомогательное время на контрольное измерение, мин
мин
время на организационное обслуживание рабочего места, отдых и личные потребности, мин
мин.
2. Операция 100 тонкое растачивание отверстий большей и малой головки шатуна. Станок ОС2705.
Глубина резания определяется в зависимости от максимального припуска
Zmax = 120мкм следовательно t = 0,1мм
Выбираем величину подачи S = 0,07 мм/об.
Стойкость инструмента Т = 60 мин,
Скорость резания:
, (3.14.)
где CV - коэффициент скорости резания
T - стойкость инструмента
m, x, y - показатели степени
KV-коэффициент, учитывающий свойства материала и состояние поверхности:
Определяем коэффициент и показатели степени в зависимости от вида обработки и величины подачи
CV = 420, x = 0,15, y = 0,2, m = 0,2
, (3.15.)
где KMV = коэффициент, учитывающий влияние материала заготовки
KПV = коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности
KИV = коэффициент, учитывающий влияние материала инструмента
KТИ = коэффициент изменения стойкости
КТС = коэффициент изменения периода стойкости в зависимости от числа одновременно обслуживаемых станков.
, (3.16.)
где КГ - коэффициент характеризует группу сталей по обрабатываемости, В - предел прочности = 450 МПа,
nВ = показатель степени
КГ = 0,85
nВ = 1,75

где KПV = 1
KИV = 0,5
KТИ = 1
КТС = 1
тогда скорость резания равна:
м/мин
м/мин
Частота вращения шпинделя:
(3.17.)
где d - наибольший диаметр обрабатываемой поверхности
мин-1
мин-1
Значение скорости полученное с учетом значения частоты вращения шпинделя n:
м/мин
м/мин
Тангенциальная составляющая силы резания:
(3.18.)
где Ср, x, y, n - коэффициенты, показатели степени, зависящие от обрабатываемого материала, материала рабочей части резца и вида обработки.
Ср = 200, x = 1, y = 0,75, n = 0
(3.19.)
, (3.20.)
Определим коэффициенты, учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания при резании заготовки из стали.
KP = 1, KP =1,1, KP = 1, KrP = 0,93 тогда:
Н
Н
Мощность резания:
кВт, (3.21.)
кВт
Техническое нормирование.
мин
где То - основное машинное время, затрачиваемое на изменение формы,
плотности или состояния поверхностного слоя заготовки;
Lр.х. – длина рабочего хода;
n – частота вращения инструмента;
S0 - подача.
, (3.22.)
где L – длина резания;
Lвр- длина врезания;
Lпер – длина перебега инструмента.
мм,
мин,
Из паспорта станка: Тв =0,45 мин,
мин,
Тогда мин,
3. Операция 110 хонингование отверстия большей головки шатуна с размером
93+0,022. Хонинговальный станок СС439
Длина бруска (3.23.)
где Lх - длина хонингования = 47мм

Длина выхода бруска , (3.24.)


Длина рабочего хода инструмента (3.25.)

Величину припуска 2а, скорость вращения хона в м/мин, возвратно-поступательную скорость в.п. в м/мин выберем из карты.
Припуск 2а=0,06мм,
Скорость вращения хона =35 м/мин
Возвратно-поступательная скорость в.п.=10 м/мин
Число оборотов инструмента
(3.26.)
где - скорость вращения хона,
D – диаметр;
мин-1
Уточняем скорость вращения (3.27.)
м/мин
Число двойных ходов инструмента (3.28)
дв.ход./мин
Техническое нормирование.
Выбираем основное машинное время То, затрачиваемое на изменение формы, плотности или состояния поверхностного слоя заготовки То =0,7 мин
Из паспорта станка: Тв =0,55 мин,
мин,
Тогда мин,
Данные после расчета операции приведены таблице 3.2.
Таблица 3.2. – Режимы резания
Элементы режимов резания и времени Операции
 10 20 30 40 60 70 100 110
Глубина резания
t, мм. 1,5 1 3 4 3 7,25 4 1,5 1,35 0,75 2,5 1 1 1 0,1 0,1 0,8 0,06
Подача Sот , мм/об. 1,47 1,16 0,98 1,0 1,25 0,85 0,33 0,9 0,45 1,5 1,14 0,5 1,0 1,36 0,7 0,07 0,07 -
Cкорость резания V, м/мин. 184 157 186 67,5 6 20,2 20 25,14 56 7,4 112 98 67,5 177 35 190 200 35
Частота вращения n, об/мин 385 334 457 320 - 871 637 511 776 114 566 390 320 364 256 680 1190 120
Сила резания, Pz, кН 2745 2245 578 899 10 896 834 724 897 754 734 457 899 2634 - 336 228 -
Табличная мощность NТ , кВт.
 10,4 7,4 0,6 0,97 18,5 3,5 2,9 3,2 4,5 2,1 4,33 0,35 0,97 9,85 3 1 0,7 1,2
Основное время
То , мин 0,52 0,87 0,78 0,35 1,19 1,22 0,67 0,25 0,32 0,13 0,42 0,94 0,42 0,8 1,60 1,8 0,7
Машинно-вспомогательное
Тм , мин 0,23 0,38 0,37 0,14 0,51 0,41 0,22 0,08 0,11 0,04 0,14 0,41 0,18 0,34 0,69 0,4 0,045
Время цикла Тц , мин 0,75 1,25 1,15 0,49 1,7 1,62 0,89 0,34 0,42 0,17 0,56 1,35 0,6 1,14 2,29 2,2 0,745
Вспомогательное
Тв , мин 0,66 1,16 0,97 0,46 1,63 1,30 0,72 0,27 0,34 0,13 0,45 1,26 0,51 0,95 2,22 0,45 0,55
атех + аорг + аотл % 9
Штучное время
Тшт , мин 4 3,3 3,42 7,1 6,2 4,6 2,74 1,41






3.4. Описание служебного назначения, принципа работы и расчет приспособления
Служебное назначение приспособления
 При механической обработке детали возникает необходимость применения зажимных приспособлений. Они предназначены для ориентации и зажима заготовки при обработке базовых поверхностей (на первых операциях) и остальных поверхностей (на последующих операциях).
Описание работы приспособления
Приспособление состоит из плиты на которую установлены самоцентрирующиеся тиски с гидроприводом. Рейка 1 связана со штоком 10 привода. При подачи масла в штуцер 12 поршень 14 движется, перемещая шток влево, а рейка 1 поворачивает зубчатое колесо 2, вращающееся относительно неподвижной оси 3. Это колесо перемещает рейку 4 и связанный с ней ползун 5 вправо. Призма 6 получая движение в сторону призмы 8, центрируют и закрепляют обрабатываемую деталь 7. При подачи масла в штуцер 11 происходит разжим заготовки.
Расчет приспособления
Силы возникающие при обработке стремятся отодвинуть заготовку от опор. Смещение заготовки предупреждается силами трения возникающие в механизмах контакта заготовки с опорами и зажимными элементами.
Согласно этому должно соблюдаться условие:
         (3.29)
где Рz – сила резания
f1,2 – коэффициенты трения
К – коэффициент запаса
      (3.30)
где К0 – коэф. учитывающий неточность расчетов;
К1 – коэф. учитывает наличие случайных неровностей на поверхности приводящей к колебанию силы резания;
К2 – коэф. учитывает увеличение силы резания
от прогрессирующего износа
инструмента;
К3 – коэф. учитывает изменение силы резания при прерывистом резании;
К4 – коэф. учитывает непостоянство силы закрепления развиваемые зажимными усилиями.

Н
Исходя из полученной зажимной силы и рабочего давления Р=5 МПа рассчитаем давления поршня
               (3.31)
где S – площадь на которую действует жидкость;
м;
,              (3.32)
где R-радиус поршня;

мм;
мм-необходимое усилие будет обеспечено.
3.5. Проектирование режущего инструмента
Для фрезерования торцевых поверхностей шатуна на вертикально фрезерном станке ГФ 2171 с ЧПУ выбираемторцевую фрезу с четырехгранными пластинками с двойной отрицательной геометрией.
Исходы из размера фрезеруемых поверхностей выберем основные размеры фрезы:
D=125 мм (на станке ГФ 2171 максимально возможный D=250 мм);
D=40 мм;
D1=130 мм;
D2= 90 мм;
d1= 56 мм;
b=16,4 мм;
t=9 мм;
Число зубьев z=8.
Режущая пластинка: SNGN 120412 ГОСТ 19049-80, твердый сплав Т5К10.