2020-01-14
352
Введение
Благодаря появлению новых конструкций инструментов стали возможны новые высокопроизводительные способы обработки металлов резанием. Большое влияние на достижения в области конструирования инструментов оказало использование принципа сборности. В качестве сменных частей применяются: многогранные неперетачиваемые пластины (МНП); резцовые вставки, кассеты и головки; удлинители и хвостовые (державочные) части.
В настоящее время при обработке шеек коленчатых валов применяют три метода: точение, наружное и внутренне фрезерование. Метод предварительного фрезерования (вместо точения) коленчатых валов завоевал в двигателестроении всеобщее признание. При этом достигается гораздо более высокая производительность, надежность обработки, легкость автоматизации. Большое количество МНП, участвующих в формировании профиля коленчатого вала, позволяет обрабатывать цилиндрические поверхности большой ширины и торцевые поверхности противовесов одновременно.
Практический опыт работы в России и за рубежом показал, что применение способа охватывающего фрезерования, когда на одном станке производится одновременная обработка коренных и шатунных шеек, выгодно в мелкосерийном производстве, при частой смене моделей машин, при изготовлении запчастей. В массовом производстве наиболее выгодно обрабатывать методом охватывающего фрезерования только шатунные шейки.
Однако существует целый ряд проблем использования фрез внутреннего зацепления кассетного типа. Высокие требования к точности обработки шеек коленчатых валов удовлетворяются за счет точности изготовления фрезы. Поэтому ввиду сложной геометрии и точности себестоимость изготовления данных фрез велика.
Аннотация
В дипломном проекте рассматриваются вопросы проектирования технологического процесса механической обработки корпуса сборной специальной кассетной фрезы для обработки шеек коленчатого вала. Цель проекта повышение производительности и точности изготовления корпуса кассетной фрезы внутреннего зацепления. Главная задача проекта состоит в усовершенствовании существующего технологического процесса, выявлении в нем слабых сторон и недостатков.
Разработаны следующие мероприятия по устранению недостатков базового технологического процесса:
1. материал детали сталь 38ХМА предлагается заменить на сталь 19ХГН.
2. Получение заготовки методом свободной ковки предлагается заменить ковкой в подкладных штампах.
3. Предлагается заменить метод термообработки. Вместо азотирования использовать метод нитроцементации.
Разработаны вопросы организации и экономики производства. Рассмотрены вопросы охраны труда.
Современное состояние вопроса
Анализ конструкции и технологии изготовления фрез
Кассетная фреза с внутренним зацеплением – лезвийный инструмент для обработки с вращательным главным движением резания инструмента без возможности изменения радиуса траектории этого движения и хотя бы с одним движением подачи, направление которого не совпадает с осью вращения. Фрезы представляют собой тела вращения с формой производящей поверхности, зависящей от формы обрабатываемой и расположения оси фрезы относительно детали. При работе производящая поверхность фрезы с образованными на ней зубьями касается обрабатываемой поверхности.
Кинематика процесса фрезерования характеризуется вращением фрезы вокруг своей оси и движением подачи заготовки или фрезы, которое может прямолинейным (поступательным) и, вращательным или винтовым. При прямолинейном движении подачи обрабатываются плоскости, уступы, пазы, детали с фасонной образующей и прямолинейной направляющей. При вращательном движении подачи обрабатываются поверхности вращения, а при винтовом движении подачи – винтовые поверхности. В данном дипломном проекте рассматривается фреза, у которой движением подачи является движение обката вокруг шейки коленчатого вала.
Переход от токарной к фрезерной обработке шеек коленчатых валов на КамАЗе, ЯМЗе, КАЗе и других автозаводах произошел в конце семидесятых – начале восьмидесятых годов [3].
На Ярославском моторном заводе ПО «Автодизель» для обработки коренных шеек двигателя ЯМЗ-238 применяются круглофрезерные станки фирмы GFM (Австрия) модели FKM-12L. Станки оснащены пятью фрезами наружного фрезерования диаметром 1000 мм, закрепленными на двух барабанах, приводимых в движение от электродвигателей. За один оборот коленвала производится одновременная обработка пяти коренных шеек.
Фрезерование шатунных шеек производится на станках модели FKR-16 сборными фрезами диаметром 1100 мм для наружного фрезерования.
Коренные шейки коленчатого вала двигателя КамАЗ-740–1005020 обрабатываются на специальных круглофрезерных станках «Heller» (ФРГ) модели RKFL-1500, предназначенных для одновременной обработки I–V коренных шеек. Штучное время обработки пяти коренных шеек составляет Тшт = 3,32 мин, что соответствует производительности 18 валов в час.
Предварительное фрезерование шатунных шеек I–IV в размер Ø87 мм и Н = 63 мм производится также на станках фирмы «Heller» модели RFKD-900/1000 ч одновременно двумя фрезами. Время обработки Т = 10,7 мин, что соответствует производительности 8,5 коленвала в час.
Окончательное фрезерование шатунных шеек производится на станках модели RFKD-600/720 ч; производительность обработки 4,7 вала в час.
Загрузка и разгрузка станков автоматическая.
При разработке станков для фрезерования коленчатых валов существенный шаг вперед был сделан за счет применения фрез внутреннего (охватывающего) фрезерования.
В настоящее время станки охватывающего фрезерования выпускают многие фирмы, такие как Böehringer, Heller, GFM (Австрия), Komatsu (Япония), а также КЗТС, СЗТЗС. Однако существенное различие заключается в осуществлении круговой подачи инструмента вокруг шейки коленвала.
Фрезерование на станках фирмы Böehringer производится эксцентрично вращающейся фрезой с внутренним расположением режущих пластин, совершающей планетарное движение вокруг обрабатываемой шейки. Обрабатываемый вал остается неподвижным.
На станках фирмы GFM фреза прямолинейно врезается в зону между щеками коленвала, а затем ось фрезы выполняет оборот вокруг шейки за счет горизонтального и вертикального движения крестового суппорта. Система CNC обеспечивает наружное согласованное движение по осям Y и Z, вследствие чего ось фрезы выполняет соответствующее прямолинейное и круговое движение.
Охватывающее фрезерование входит в группу способов обработки многолезвийным вращающимся инструментом – фрезой.
Фреза имеет форму кольца диаметром 800–1000 мм, закрепляемого на станке за наружный диаметр. Режущие твердосплавные пластины направлены радиально вовнутрь, поэтому и способ фрезерования называется внутренним или охватывающим. Так же, как и на фрезах наружного фрезерования, неперетачиваемые пластины, в зависимости от конструкции инструмента, могут быть использованы от четырех до восьми раз.
Скорость резания и здесь определяется вращательным движением инструмента. Профиль фрезы соответствует негативной форме шейки коленчатого вала. Таким образом, и при этом способе обработки определенным инструментом можно фрезеровать только соответствующий профиль шейки.
К основным преимуществам метода охватывающего фрезерования относятся:
– рабочий диаметр намного меньше посадочного, при одинаковых силах резания требуется гораздо меньше усилия для крепления инструмента;
– при той же нагрузке, оказываемой на режущие пластинки, и за то же время обработки геометрия резания обеспечивает большее количество срезаемого металла, за счет чего повышается производительность;
– фреза с внутренними ножами охватывает коленчатый вал, за счет чего обеспечивается обработка шейки без вращения обрабатываемого вала;
– необходимая жесткость неподвижного в течение всего процесса обработки коленвала достигается за счет люнетов;
– обеспечивается более высокая плавность работы станка;
– при меньшей нагрузке на станок подача на режущую кромку может быть увеличена;
– стойкость фрезы увеличивается несмотря на более высокие подачи.
Обработка резанием производится шпинделем со значительно большим диаметром D2. Так как при фрезеровании шеек коленвалов обрабатываются глубокие впадины, то рабочий диапазон фрезы определяется размерами обрабатываемой шейки.
Отношение посадочного диаметра к рабочему всегда значительно меньше единицы: D1/ D2 < 1.
С другой стороны, существует необходимость выбирать это соотношение как можно большим для обеспечения более ритмичной работы станка и инструмента.
При внутреннем фрезеровании рабочий диапазон намного меньше диаметра, за который зажимают инструмент. Отношение D1/ D2 ≥ 2…3. Таким образом, при одинаковых силах резания требуется гораздо меньше усилия для крепления инструмента, чем это требуется при круглом наружном фрезеровании. Фреза работает более спокойно, динамически устойчиво.
Во время круговой подачи фрезеруемая шейка обкатывается по внутреннему диаметру инструмента. Результатом является более длинный путь резания, что положительно сказывается на плавности работы при прерывистом резании. Кроме того, при одинаковой подаче максимальная глубина резания при внутреннем фрезеровании меньше, чем при круглом наружном. В результате более длинного пути резания и меньшей максимальной глубине мы получаем при одинаковой круговой подаче на каждую режущую кромку более тонкую стружку.
Таким образом, нагрузка на режущие кромки становится меньше, а следовательно, работа может вестись с более высокими подачами. Время фрезерования одной шейки сокращается. Стойкость режущего инструмента при охватывающем фрезеровании выше стойкости фрез, применяемых при наружном фрезеровании. Диаметр режущего контура выбирается так, чтобы коленчатый вал входил в него достаточно надежно.
Процесс обработки с неподвижным коленвалом с успехом применяет на своих станках для охватывающего фрезерования фирма GFM (Австрия).
Для обработки валов длиной до 1000 мм применяются станки модели FKR-20; в зависимости от программы выпуска коленвалов, на станках устанавливаются один или два фрезерных суппорта.
В большинстве случаев более выгодно применять станки с двумя бабками, что позволит за один установ коленчатого вала обрабатывать коренные и шатунные шейки. Для обработки коленчатых валов грузовых автомобилей фирма выпускает станки модели FKR-30 и FKR-45. На них можно обрабатывать за один установ все коренные шейки. Учитывая, что коленчатые валы таких размеров вследствие возникновения внутренних напряжений во время обработки деформируются, применяется специальный метод для устранения деформации – зажим люнетом за необработанную среднюю шатунную шейку. После чернового фрезерования шеек люнет освобождается, патроны открываются; коленчатый вал, свободный от внутренних напряжений, фиксируется между центрами, после чего производится чистовая обработка под шлифовальный размер. При обработке стабильных деталей обеспечивается круглость в пределах 0,04 мм. В зависимости от жесткости и размеров коленчатого вала, а также от поддержки коленвала в зоне фрезерования действительно достигаемая круглость шеек составляет примерно 0,1 мм.
Выпускаемые СЗТЗС и КЗТС круглофрезерные полуавтоматы модели СТ-20 и КУ-436 имеют также по две фрезерные бабки, на которые устанавливаются фрезы для одновременной обработки коренных и шатунных шеек.
Практический опыт работы в России и за рубежом показал, что при массовом производстве коленчатых валов все коренные шейки, а также фланец и концевую часть целесообразно фрезеровать методом наружного фрезерования набором фрез за один оборот вала. Шатунные шейки экономично обрабатывать на станках для внутреннего фрезерования [3].
