2. Валы Конструкции, материалы, термообработка
Валы различают по служебному назначению, конструктивной форме, размерам, конструкционному материалу. Встречаются валы бесступенчатые и ступенчатые, цельные и пустотелые, гладкие и шлицевые, валы-шестерни, а также комбинированные в различных сочетаниях. Основные виды, группы и типы валов представлены на рис. 2.1. По форме и положению геометрической оси валы могут быть прямые, коленчатые, кривошипные и кулачковые. Около 85% общего количества типоразмеров ступенчатых валов в машиностроении составляют валы длиной 150…1000 мм.
Наиболее часто валы изготавливают из конструкционных и легированных сталей, таких как сталь 20, 30, 35, 40, 45, 20Х, 35Х, 40Х, 50Х, 40Г2, 18ХГТ, 25ХГМ, 20ХН3А, 20ХГНМ, 19ХГН, 15ХНТ2А. Применяют сырые и термообработанные валы. Валы из высокоуглеродистых сталей подвергают как объемной закалке, так и локальной (поверхностной) закалке наиболее ответственных поверхностей с использование нагрева ТВЧ на глубину 1,5…5,0 мм (HRC 32…42), а на поверхности - HRC 59…63. Валы, изготовляемые из низкоуглеродистых сталей, цементируют или нитроцементируют на глубину 0,7…1,2 мм и после закалки и отпуска получают твердость поверхности HRC 52…60. Валы из азотируемых сталей азотируют на глубину 0,3…0,5 мм, обеспечивая твердость поверхностей HRC 40…58 [17].
Основные схемы базирование
Основными конструкторскими базами большинства валов являются поверхности опорных шеек. Однако в качестве технологических баз их используют существенно реже. Применение таких баз при обработке наружных поверхностей, как правило, затруднительно. Особенно это касается выполнения принципа постоянства баз. Поэтому при обработке валов в большинстве случаев используют искусственные технологические
Рис. 2.1. Основные группы и типы валов, применяемых в машиностроении
базы, которыми являются центровые отверстия с обоих торцов заготовки. Принимая в качестве технологических баз центровые отверстия или центровые фаски на большинстве операций, решается задача повышения точности взаимного расположения обработанных поверхностей не только за счет соблюдения принципа постоянства баз, но и за счет минимизации в целом погрешности установки заготовки в центрах.
Технологической базой могут служить торцовые поверхности вала, что исключает погрешность базирования при обработке в центрах для линейных размеров, проставленных от таких торцов. Для использования левого торца вала в качестве базы при токарной обработке применяют плавающий передний центр. Это дает возможность передавать обрабатываемой заготовке крутящий момент с помощью торцовых поводковых устройств [5, с.265], например, поводковую зубчатую шайбу [8, с. 224…226] или штырьковый патрон [9, с. 107…108].
Крутящий момент наиболее часто при обработке валов передается с помощью поводковых патронов (ГОСТ 2571), поводковых хомутиков (ГОСТ 2578) и тому подобных устройств. На круглошлифовальных станках для повышения точности взаимного положения шлифуемых поверхностей используют специальные компенсирующие поводковые хомутики [11, с.77; 14, с. 255].
В последние годы для токарной обработки валов (и других изделий типа тел вращения, длина которых существенно превышает диаметр), расширяется применение в качестве технологических баз поверхностей отдельных шеек. Это связано с распространением самоцентрирующих люнетов (рис. 2.2), в т. ч. с программируемым подводом, отводом, перемещением. В таких случаях вал крайней левой шейкой базируется в кулачках самоцентрирующего патрона с упором в торец, а крайней правой – на роликовых опорах самоцентрирующего люнета. Вместо люнета возможно использование заднего центра, если имеется центровое отверстие или центровая фаска.
а)
б)
в)
Рис. 2.2. Самоцентрирующий люнет: а – общий вид; б – заготовка установлена в трехкулачковом самоцентрирующем патроне и самоцентрирующем люнете; в – схема конструкции: 1 – центральная опора, 2 – рычаги, охватывающие заготовку, 3 – задний центр (грибковый). Центральная опора и рычаги самоцентрирующего люнета оснащены роликами.
В процессе выполнения операции самоцентрирующий люнет и задний центр могут свою базирующую роль осуществлять попеременно, заменяя друг друга по необходимости. Последнее особенно рационально для обработки за один установ как наружных, так и внутренних поверхностей валов и других заготовок с центральным отверстием или выточками на торце (см. рис. 2.1). На рис. 2.3 приведен операционный эскиз подобной токарной операции.
Рис. 2.3. Операционный эскиз токарной операции обработки вала, имеющего центральное отверстие, с использованием самоцентрирующего люнета и заднего центра
Остановимся на этой операции подробнее. Будем считать, что до начала точения наружные обрабатываемые поверхности, включая торец, являются черными, т. е. имеют низкую точность (прокат, поковка, литье). Центральное отверстие в исходной заготовке отсутствует. Левая сторона вала обработана на предыдущей операции. При установке заготовки короткий участок крайней левой шейки базируется в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с упором в торец. Последнее обеспечивает ее ориентацию в осевом направлении. Крайняя правая шейка достаточного размера базируется в самоцентрирующем люнете (схема базирования на рис. 2.3 показана штриховыми линиями).
В начале операции без вращения заготовки, используя приводное устройство, сверлится центровое отверстие (до сверления предварительно может быть выполнено фрезерование торца). В образованное отверстие вводится задний центр, он начинает выполнять базирующую роль (схема базирования на рис. 2.3. показана у торца вала). После отвода самоцентрирующего люнета обтачиваются наружные поверхности. В завершении обтачивания вновь подводится самоцентрирующий люнет (к обточенной шейке диаметром 100,6 мм на рис. 2.3) и обрабатываются правый торец и поверхности, относящиеся к центральному отверстию, включая центровую фаску. Последняя будет являться базовой поверхностью при шлифовании отдельных точных шеек после закалки, азотирования или цементации.