Материалы и технические условия на изготовление валов. Материалы деталей класса валов должны обеспечивать необходимые эксплуатационные характеристики и обладать хорошей обрабатываемостью. Поэтому валы обычно изготовляют из конструкционных углеродистых и легированных сталей, удовлетворяющим требованиям высокой прочности, малой чувствительности к концентрации напряжений. Для валов, работающих при циклических нагрузках (особенно в подшипниках скольжения), требуется обеспечить высокую вязкость сердцевины и высокую твердость основных шеек. Поэтому для них используют низкоуглеродистые цементируемые стали.

Шлицевые валы с целью повышения долговечности выполняют из высоколегированных сталей, чтобы обеспечить необходимую твердость рабочих поверхностей и сердцевины, высокую прочность, ударную вязкость и износостойкость, минимальное коробление при закалке. Так, шлицевые валы изготовляют из сталей 18ХГТ или 20ХН3А с последующей термической обработкой до твердости HRC 56…62.

Для повышения обрабатываемости исходные заготовки валов подвергают нормализации или термообработку проводят после черновой обработки. Для повышения износостойкости и прочности отдельные поверхности подвергают закалке ТВЧ, цементации, цианирование с последующей закалкой и отпуском.

Коленчатые и распределительные валы сейчас часто изготовляют из специальных высокопрочных чугунов с глобулярным графитом из ковких и модифицированных чугунов. Структура литого вала способствует лучшему гашению вибраций при работе, заготовки имеют меньшую начальную неуравновешенность. Такие валы износостойки и менее чувствительны к концентрации напряжений.

Несмотря на разнообразие форм и размеров валов, при их изготовлении возникают, в общем, одинаковые технологические задачи, решение которых заключается в применении оптимальных последовательности и методов обработки, схем установки валов, оборудования и технологической оснастки. Почти все валы обрабатываются по типовым технологическим процессам. Валы изготовляют по технической документации, утвержденной в установленном порядке.

У валов наиболее ответственными являются посадочные поверхности под подшипники качения, шестерни, муфты, рабочие кромки манжет уплотнений.

Шероховатость рабочих поверхностей вала должна быть не более: поверхностей под рабочие кромки манжет уплотнений, под подшипники качения, торцов и уступов – R_z10, центрирующих поверхностей шлицев – R_a1,25, боковых поверхностей шлицев с подвижным соединением – R_a2,5, а с неподвижным соединением – R_a5, нецентрирующих цилиндрических поверхностей шлицев R_z10.

По техническим условиям на изготовление валов диаметры посадочных шеек выдерживают по 6…9, а в отдельных случаях и по 5 квалитету точности. Овальность и конусообразность шеек не превышает 0,2…0,4 допуска на их диаметр. Биение посадочных шеек относительно базирующих не должно превышать 10…20 мкм. Осевое биение опорных торцов или уступов не должно быть больше 10 мкм на наибольшем радиусе. Непараллельность шпоночных канавок или шлицев оси вала не должна превышать 0,1 мкм/мм, допуски на длину ступеней 50…200 мкм, допустимая искривленность оси вала 0,03…0,05 мкм/мм.

При центрировании шлицев по наружному или внутреннему диаметрам допуски на эти диаметры устанавливаются по 6 квалитету точности. Наружную резьбу на валах выполняют наиболее часто с полем допуска по 6 квалитету точности.

Для уменьшения дисбаланса массы вала относительно оси вращения все его поверхности (основные и свободные) приходиться обрабатывать, чтобы их оси вращения совпали с осью вращения вала. При этом желательно все поверхности вала обрабатывать в одну установку. На точность сборки кинематических элементов (шестерен, шкивов, и др.) и на вибростойкость оказывает влияние перпендикулярность торцевых поверхностей вала к оси отверстия. Поэтому целесообразно все торцевые поверхности вала также обрабатывать в одну установку и притом за одну установку с поверхностями вращения вала.

Заготовки валов. Трудоемкость, себестоимость и производительность процесса изготовления валов и их качество во многом определяются методом получения заготовок. Причем, с увеличением объема выпуска продукции особое значение приобретает эффективность использования металла, т.к. при этом сокращается трудоемкость механической обработки. Поэтому в крупносерийном и массовом производстве преобладают методы получения заготовок с коэффициентом использования металла от 0,7 и выше, доходящих в отдельных случаях до 0,95. Штучную заготовку из прутка уже целесообразно заменять штамповкой, если коэффициент использования металла увеличивается не меньше чем на 5%, учитывая, конечно, экономическую целесообразность других факторов.

При механической обработке валов на настроенных и автоматизированных станках приобретает большое значение и точность заготовки. Поэтому можно рекомендовать:

- заготовки из горячекатаного или холоднотянутого проката применят для изготовления гладких валов и ступенчатых валов с небольшим числом ступеней и малыми перепадами диаметров (до 5 мм) или ступенчатых валов диаметром до 125 мм и длинной до 320 мм – в единичном и мелкосерийном производстве. При получении из таких заготовок валов с большим перепадом диаметров ступеней значительно (до 0,4) снижается коэффициент использования металла.

- заготовки валов сложной конфигурации с большой разницей между диаметрами ступеней в единичном производстве получают свободной ковкой на ковочных гидравлических прессах или на паровоздушных, пневматических, рессорно-пружинных молотах, в серийном и массовом производстве – штамповкой на прессах, молотах, ГКМ, ротационным обжатием на специальных машинах, поперечно-винтовой прокаткой на многовалковых станах.

При получении свободной ковкой мелких и средних поковок для повышения точности и производительности (рентабельная партия больше 200 шт.) используют подкладные штампы.

Объемную штамповку выполняют в открытых, закрытых штампах и штампах для выдавливания. Горячим выдавливанием получают заготовки валов со ступенями, убывающими по диметру:

- на гидравлических и кривошипных горячештамповочных прессах при длине вала до 300 мм и годовом объеме выпуска больше 500 шт.,

- на ГКМ при длине больше 300 мм и объеме выпуска больше 5000 шт.

При получении заготовок этим методом коэффициент металла достигает 0,7. Особенно эффективен этот метод для деталей сложной конфигурации.

Прогрессивным методом изготовления заготовок является штамповка на ротационно-обжимных и радиально-обжимных машинах, на которых получают осесимметричные изделия с цилиндрическими и коническими поверхностями диаметром меньше 320 мм в горячем или холодном состоянии. Методы целесообразны при объеме больше 3000 шт. Заготовки по форме и размерам близки к готовой детали. Погрешность диаметра размера при штамповке в холодном состоянии равна от ±0,02 до ±0,2 мм, R_a до 0,08; погрешность при штамповке в горячем состоянии от ±0,05 до ±0,4 мм; коэффициент использования металла до 0,85. Методы высокопроизводительны. Так, валы с 9 ступенями диаметром 55…95 мм, длиной порядка 800 мм изготовляют за 2 мин.

В крупносерийном массовом производстве (автомобили, тракторы) применяют горячекатаные круглые периодические профили, получаемые поперечно-винтовой прокаткой. Этот метод характеризуется большой производительность и точностью – предельные отклонения диаметра профилей от +1,5 до -1,0мм.

Заготовки коленчатых, распределительных и некоторых других специальных валов получают отливкой в оболочковые формы. В этом случае коэффициент использования металла выше, чем при штамповке, т.к. у отливок выше точность, меньше припуски на обработку, при литье образуются внутренние полости. Так, заготовка литого коленчатого вала грузового автомобиля на 9 кг легче, чем штампованного.

Заготовки валов контролируют по размерам и твердости. Для особо ответственных деталей предусмотрена индивидуальная приемка заготовок по механическим свойствам. Перед контролем твердости заготовки подвергают обычно термообработке (нормализации), очистке, наружные дефекты зачищают, если глубина их залегания не превышает половины припуска на сторону. Важной операцией, обеспечивающей обработку с равномерным припуском, является правка, которую проводят в горячем состоянии в штампах, на прессах или в холодном состоянии. Допустимая непрямолинейность заготовки после правки 0,05…0,15 мм/м.

Метод получения заготовки вала выбирают, сравнивая суммарные трудоемкости и себестоимости процессов изготовления заготовок и черновой механической обработки по сопоставимым вариантам.

Анализ технологичности валов. Разработка технологического процесса изготовления вала начинается с изучения его служебного назначения в машине и всех требований ТУ, которым он должен удовлетворять. Далее, определив тип производства, приступают к анализу технологичности детали.

Показателями, характеризующими технологичность конструкции валов, являются: высокая жесткость, рациональность выбора материала, простота геометрических форм, возможность выбора оптимальных баз для обработки, правильное нанесение размеров, обоснованные требования по точности и качеству поверхностного слоя.

Жесткость – важнейший показатель технологичности. При высокой жесткости вала применяют простые схемы установки (например, в центрах), высокие режимы обработки, многоинструментные наладки. Обработка выполняется за минимальное количество переходов, повышается производительность и точность, производство таких валов легко автоматизируется. В случае малой жесткости применяется определенное чередование предварительной и окончательной обработки отдельных поверхностей при определенных способах закрепления заготовки. Так, при токарной обработке коленчатых валов применяют специальные станки с центральным приводом, при шлифовании шеек вала – люнеты (для чего необходимо, например, дополнительно обрабатывать различные пояски под люнеты) и т.д.

Геометрическая форма детали, как правило, определяет возможность применения соответствующих методов обработки. Гладкий вал постоянного сечения наиболее технологичен: при крупносерийном массовом производстве его обрабатывают наиболее производительным методом – шлифованием с продольной подачей на бесцентрово-шлифовальных станках. Валы с небольшими перепадами возрастающих диаметров ступеней, длины которых равны или кратны, удобно обрабатывать на многорезцовых станках.

При изготовлении валов на токарных станках с ПУ необходимо, чтобы элементы их (особенно переходные участки, канавки и т.д.) имели стандартные формы и размеры, что упрощает составление программы и уменьшает количество необходимого инструмента.

В случае шпоночного соединения валов целесообразнее использовать сегментные шпонки, т.к. процесс изготовления призматической шпонки более трудоемок, чем сегментной. Операция обработки паза под призматическую шпонку малопроизводительна (концевая фреза) и при сборке зачастую требуется пригонка.

Основными преимуществами шлицевых соединений по сравнению со шпоночными, кроме возможности передачи больших крутящихся моментов, являются высокая точность центрирования и надежность их. Применяют следующие виды профилей шлицевых соединений: эвольвентный, прямобочный, треугольный.

Наиболее технологичны в изготовлении эвольвентные шлицы, которые могут формироваться также как и зубчатые колеса. Эвольвентные шлицы обладают большой равнопрочностью, имеют меньший коэффициент концентрации напряжений, чем прямопобочные, и используются в сильно нагруженных и ответственных передачах.

В последние годы находят применение специальные виды бесшлицевых соединений. Овальный, трех- четырехгранный профили обеспечивают высокую точность, большую прочность и долговечность, передают большие крутящие моменты при малых размерах, однако, для их изготовления требуется специальное оборудование.

Эффективность механической обработки в значительной степени определяется точностью заготовок. Причем, имеется взаимосвязь между требованиями по точности заготовок и применяемыми методами обработки. Так, для заготовок валов, обрабатываемых в автоматизированном производстве, несоосность ступеней допускается не больше ¼ допуска на диаметр большей ступени. Это связано не только с копированием погрешностей при выполнении переходов, но и с желанием обеспечить более равномерную глубину резания и тем самым повысить долговечность режущего инструмента. Поэтому для токарных станков с ПУ в ряде случаев вместо поковок используют заготовки из проката. В этом случае снижается коэффициент использования металла, но зато получается выигрыш в результате повышения надежности работы технологической системы.

Эффективность обработки (точность, производительность и т.д.) существенно зависит от выбранных способов установки деталей. Лучшие результаты получаются при обработке точных поверхностей с одного установа и при использовании в качестве баз точно обработанных поверхностей. Наиболее часто валы устанавливают в центрах, используя при этом центровые отверстия, фаски или обратные центры. Эти базы просты и удобны не только при изготовлении, но и при ремонте деталей. При выполнении операции погрешности центровых отверстий копируются на обработанной поверхности, поэтому, если по точности требуется, их перед финишной обработкой шлифуют на специальных станках или раскатывают центрами на токарных станках.

При выполнении ряда операций в качестве баз используют наружные цилиндрические поверхности и торцы вала или торцовые поверхности ступеней вала. Так при обработке торцов, центровых и радиальных отверстий, фрезеровании шпоночных пазов вал устанавливают в призмы (простые или самоцентрирующие), крепят в патронах. Точно обработанные шейки используют в качестве базы при обработке центрального отверстия, эксцентрично расположенных шеек и т.д. Вал при этом часто крепят в точных патронах с упругими элементами.

На токарных, шлифовальных операциях в единичном и серийном производстве применяют хомутики и поводковые патроны. При работе с хомутиками из-за того, что усилие, действующее на вал, переменно по направлению, образуется погрешность формы. Большую точность можно получить при использовании поводковых патронов.

Для уменьшения деформации нежестких валов (коленчатых, распределительных и др.) применяют специальные станки с центральным приводом или с приводом двух концов вала.