Общие вопросы проекта
Исходная информация для разработки проекта
Цех, в котором находится рассматриваемый участок, состоит из четырех участков. В цехе поточно-массовое производство с межоперационными конвейерами для межоперационных заделов. В цехе большая номенклатура металлорежущего оборудования: токарного, резьбонарезного, шлифовального и др. В цехе также используются электрокары для перевозки заготовок и готовой продукции.
Годовой выпуск вала-сошки гидроусилителя рулевого управления 170000 шт./год.
Служебное назначение и техническая характеристика вала-сошки
Описание рулевого управления автомобиля
Рисунок 1.1 - Рулевой механизм грузового автомобиля
1- нижняя крышка; 2, 14, 26 и 29- уплотнительные кольца; 3- заглушка; 4-картер рулевого механизма; 5- рейка- поршень; 6- уплотнительное разрезное кольцо; 7- винт рулевого механизма; 8- шариковая гайка; 9- желоб; 10- шарик; 11- поршневое кольцо; 12- промежуточная крышка; 13- передний упорный подшипник; 15- шариковый клапан; 16- золотник; 17-корпус клапана управления; 18- пружинная шайба; 19- регулировочная гайка; 20- верхняя крышка; 21- игольчатый подшипник; 22 и 35- упорные кольца сальника; 23-штуцер; 24- угольник отвода масла из системы; 25-боковая крышка; 27-упорная шайба; 28- стопорное кольцо; 30- регулировочный винт; 31-вал рулевой сошки; 32- пробка; 33- втулка вала рулевой сошки; 34 и 38- сальники; 36- замочное кольцо; 37- гайка вала рулевой сошки; 39- пружина; 40-реактивный плунжер; 41- канал; 42- установочный винт.
Рулевой механизм
Рулевой механизм, представленный, на рисунке 1.1, прикреплен к раме и соединен с валом рулевого колеса при помощи вала с двумя карданами.
Детали рулевого механизма расположены в чугунном картере 4. Картер одновременно является цилиндром гидроусилителя, в котором перемещается рейка-поршень 5 с зубчатым сектором 31 при помощи винта 7 и сопряженной с ним шариковой гайки 3. Зубья рейки и сектора вала рулевой сошки имеют переменную по длине толщину, что позволяет регулировать зазор в зацепление путем осевого смещения вала – сошки.
Вал рулевой сошки вращается в бронзовых втулках 33, запрессованных в картер и в отверстии боковой крышки картера 25. Осевое положение вала-сошки определяется регулировочным винтом 30, головка которого входит в отверстие вала рулевой сошки и опирается на упорную шайбу 27. Осевое перемещение регулировочного винта в вале сошки, выдерживаемое при сборке в пределах 0.02 – 0.08 мм, ограничивается регулировочной шайбой и стопорным кольцом 28.
Шариковая гайка 8 расположена в рейке – поршне и укреплена установочным винтом 42, закрепленным после сборки. Гайка собрана с винтом 7 таким образом, что в имеющийся у них винтовой профиль и желоб размещается тридцать один шарик 10, на которых вращается винт 7 с незначительным сопротивлением.
В паз шариковой гайки, соединенной двумя отверстиями с ее винтовой канавкой, вставляют два штамповочных желоба 9, образующих трубку, по которой шарики, выкатываясь при повороте винта с одного конца гайки, возвращаются к ее другому концу. Винт 7 проходит через промежуточную крышку 12, к которой крепится корпус клапана управления 17. На винте установлены два упорных шариковых подшипника 13, в которых он вращается. Золотник клапана управления установлен на винтах между подшипниками. Большие кольца подшипников обращены к золотнику. Шариковые подшипники и золотник закреплены гайкой 19, утопленный буртик которой вдавлен в паз на винте.
Под гайку подложена коническая пружинная шайба 18, обеспечивающая равномерное сжатие упорных шариковых подшипников. Шайба установлена вогнутой стороной к шариковому подшипнику.
Конец винта 7 опирается на игольчатый подшипник 21, расположенный в верхней крышке рулевого механизма 20.
Длина золотника больше длины отверстия под него в корпусе клапана управления. Вследствие этого золотник и винт могут перемещаться в осевом направлении на 1 мм в каждую сторону от среднего положения. В среднее положение они возвращаются под действием шести пружин 39 и реактивных плунжеров 40, находящихся под давлением масла в линии подвода от насоса.
К корпусу клапана управления подведены два шланга от насоса усилителя: шланг высокого давления 2, по которому подводится масло от насоса 1 и шланг 3 низкого давления (слива), по которому масло возвращается в насос.
При вращении винта 7 в ту или другую сторону вследствие сопротивления, возникающего при повороте колес, создается сила, стремящаяся сдвинуть его в осевом направлении в соответствующую сторону. Если эта сила превышает усилие предварительного сжатия пружин 39, то винт перемещается и смещает золотник 16. При этом одна полость цилиндра картера рулевого механизма сообщается с линией давления, а другая с линией слива. Масло, поступающее из насоса в цилиндр, давит на рейку поршень, создавая дополнительное усилие на секторе вала рулевой сошки, и способствует повороту колес.
Давление в рабочей полости цилиндра увеличивается с повышением сопротивляемости колес. Одновременно увеличивается давление и под реактивными плунжерами 40. Винт и золотник стремятся вернуться в среднее положение под действием пружин 39 и реактивных плунжеров 40.
Чем больше сопротивление повороту колес и выше давление в рабочей полости цилиндра, тем больше усилие, с которым золотник стремиться вернуться в среднее положение и установить в среднее положение упорные шариковые подшипники и винт, и тем больше также усилие на рулевом колесе. Когда усилие на рулевом колесе возрастает с увеличением сопротивления поворота колес, у водителя создается «чувство дороги».
Усилие на ободе рулевого колеса, соответствующее началу работы ГУР, составляет около 2 кг, а наибольшее усилие - около 100 Н.
При прекращении поворота рулевого колеса поступающее в цилиндр масло действует на рейку – поршень с винтом, сдвигает золотник к среднему положению, что вызывает уменьшение давления в цилиндре до необходимого для удержания колес в повернутом положении и прекращает движение поршня, следовательно, и поворот колес.
В корпусе клапана управления имеется шариковый клапан 15, соединяющий при неработающем насосе линии высокого давления и слива.
Клапан обеспечивает в этом случае работу рулевого механизма как обычного рулевого механизма, без ГУР.
Полость, в которой находятся упорные шариковые подшипники, соединена с отверстием для слива и уплотнена резиновыми уплотнительными кольцами 14 круглого сечения. Подобными же кольцами 2 и 26 уплотнены и остальные неподвижные соединения.
Вал 31 рулевой сошки уплотнен резиновым сальником 34, который имеет упорное кольцо 35, предотвращающее его выворачивание под давлением. Наружная резиновая манжета препятствует попаданию на вал грязи и пыли. Рейка – поршень уплотнена двумя упругими чугунными разрезными кольцами.
Винт 7 рулевого механизма имеет два уплотнения в промежуточной крышке и в рейке-поршне. Уплотнение производится чугунными упругими разрезными кольцами 6. В верхней крышке 20 винт уплотняется резиновым сальником 38 с упорным кольцом 22 и наружной манжетой, а регулировочный винт 30 - резиновым кольцом 29 круглого сечения.
При вращении винта 7 в ту или другую сторону от среднего положения происходит увеличение свободного хода в рулевом механизме. Это достигается тем, что толщина среднего зуба сектора вала рулевой сошки 31 увеличена по сравнению с остальными зубьями, а винт 7 имеет бочкообразную форму с незначительным уменьшением диаметра винтовой канавки к его концам.
В картере рулевого механизма имеется пробка 32 с магнитными пластинками, которая улавливает стальные и чугунные частицы из масла. Винт рулевого механизма соединен с валом рулевого колеса - карданным валом.
?
Классификация и группирование объектов производства
Несмотря на все многообразие машиностроительных деталей, производственный опыт позволяет достаточно точно классифицировать их массу на несколько основных классов, для каждого из которых существует вполне определенный типовой технологический процесс. Поэтому одним из первых этапов проектирования является отнесение оригинальной детали к одному из классов.
Вал сошки рулевого управления грузового автомобиля относится к классу «ВАЛЫ». Класс «ВАЛЫ» характеризуется удлиненной формой с соотношением длины (L) к среднему диаметру (D) свыше 1/5. Валы разделяются на жесткие L/D < 12 и нежесткие L/D > 12.
Вал сошки ГУР с соотношением L/D - 241/45 = 5 является жестким.
Краткая характеристика уровня технологии, существующего на базовом предприятии
В базовом технологическом процессе система удаления отходов, в частности, уборка стружки, шлама, не автоматизирована. Удаление отходов производится вручную. Для удаления стружки от металлорежущих станков можно использовать шнековый конвейер, расположенный в полу. Для очистки СОЖ можно предложить также систему ее очистки и повторного ее использования.
На операции токарной обработки используют резцы с напайными перетачиваемыми пластинами. Я предлагаю заменить данные резцы на резцы со сменными неперетачиваемыми пластинами из твердого сплава. Для перемещения заготовки от одной операции к другой используется подвесной конвейер.
Общая организационно – техническая характеристика проектируемого участка
Вал сошки ГУР грузового автомобиля наиболее целесообразно изготавливать в условиях массового производства ввиду того, что в условиях массового производства изделия изготавливают непрерывно в относительно больших количествах и в течении достаточного продолжительного времени.
Большой объем выпуска обусловлен тем, что данная деталь используется во многих моделях грузовых автомобилей.
Для данной детали значение коэффициента закрепления операций Kзо (отношение числа всех различных операций Nо, выполненных в течении месяца, к числу рабочих мест Np) равен 1:
Кзо = Nо/Np = 20/20 = 1 (1)
Различают следующие организационные формы производства: поточная и не поточная.
Выбор формы организации производства зависит от объема выпуска и характера обрабатываемых деталей. Учитывая объем выпуска (N=170000 шт.) и характер обрабатываемых деталей для цеха принимается поточная форма организации производства. В этом случае оборудование линии располагают в точном соответствии с последовательностью выполнения всех операций технологического процесса, специализируются рабочие места для выполнения закрепленных за ними операций и организуется наиболее рациональная транспортировка обрабатываемых на линии деталей между рабочими местами.
На участке изготовления вала сошки рулевого управления обработка детали осуществляется на станках, расположенных по ходу выполнения технологического процесса. Межоперационная транспортировка деталей осуществляется с помощью подвесного конвейера.
Участок изготовления вала сошки рулевого управления спроектирован для работы в 2 смены. Действительный годовой фонд времени работы технологического оборудования определяется по формуле:
F_g=K_p?D_p?T_cm?S,
где: F_g- действительный годовой фонд времени в часах;
K_p - коэффициент, учитывающий простой в плановых ремонтах (K_p = 0,935).
Анализ технологических свойств материала детали
Сталь 20Х2Н4А применяется для изготовления деталей типа: шестерни, вал шестерни, пальцы и другие цементируемые, особо ответственные, высоконагруженные детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.
?
Таблица 1.1 – химический состав
Химический элемент %
Кремний (Si) 0.17-0.37
Медь (Си), не более 0.30
Марганец (Мл) 0.30-0.60
Никель (Ni) 3.25-3.65
Фосфор (Р), не более 0.025
Хром (Сг) 1.25-1.62
Механические свойства при повышенных температурах.
Таблица 1.2 – механические свойства
t отпуска, °С ?_0,2, МПа ?_В, МПа ?_5, % ?, %
Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм, кованый и отожженный. Скорость деформирования 5 мм/мин. Скорость деформации 0,002 1/с
700 63 120 56 78
800 45 56 64 95
900 36 56 58 100
1000 22 37 63 100
1100 20 27 59 100
1150 16 26 65 100
1220 16 22 71 100
Хром, находящийся в стали, увеличивает прокаливаемость. Карбиды способствуют высокой износостойкости. Марганец - относительно дешевый элемент, устраняет вредное действие серы и сильно увеличивает прокаливаемость стали.
Индекс «А» в марке стали, указывает, что сталь высококачественная, отличается пределами по содержанию углерода, меньшим содержанием вредных примесей, большей гарантированностью чистоты по неметаллическим включениям и повышенными механическими свойствами.
?
Технологическая часть
Отработка конструкции изделия на технологичность
Рациональной формой детали обычно считают такую, при которой все элементы конструкции имеют простую геометрическую и плавно сопряженные друг с другом. Размеры конструктивных элементов должны соответствовать возможностям технологического процесса.
При конструировании детали исключительное значение имеет правильный метод ее изготовления. Так как данная заготовка получается методом поперечно клинового проката, то она должна удовлетворять следующим требованиям:
1) Следует избегать резких перепадов по сечению детали.
2) Площадь поперечного сечения по длине детали не должна изменяться более чем в 3 раза.
3) Выступы не должны располагаться близко друг к другу, так как снижается стойкость.
4) Деталь не должна иметь длинных узких отростков, в плоскости перпендикулярной, оси вращения, так как это приведет к большому расходу материала и браку по не заполнению.
Обоснование метода получения заготовки
Выбор вида заготовки и способа ее получения зависит от конструкционных особенностей детали и ее назначения.
Исходя из назначения вала – сошки, ее форм и размеров, а также годовой программы выпуска, в проекте принят способ получения заготовки методом штамповки на горизонтально – ковочной машине в закрытых штампах (с предварительным разогревом) с тремя ручьями, высадкой и обрубкой.
Этот метод обеспечивает возможность изготовления деталей сложной конфигурации со сравнительно высокой точностью и малыми припусками на механическую обработку, дает экономию металла и улучшает его структуру.
В заготовительном цехе на пресс ножницах производится резка заготовок из стали 0 49, длинной 370 ± 2 мм.
Технические условия:
1. Заусенец не более 4 мм.
2. Косина среза до 3 мм.
Далее заготовка поступает в кузнечный корпус, где производится:
1) Нагрев заготовки в камерной печи при температуре 1230 - 1260° С.
2. Высадка в трех ручьях с упором в клещи на горизонтально ковочной машине. Смещение по разъему не более 1 мм. Температура конца высадки 850° С.
3) Нормализация: температура в печи 950 - 750° С; время пребывания в печи 160 ± 10 мин; охлаждение на воздухе.
4) Заточка под Бринелль и блинелирование на прессе-Бринеле domn =4.2 – 4.8 мм.
5) Обрезка заусенца холодная на прессе.
6) Очистка от окалины дробью в дробометном барабане.
7) Холодная правка стержня в правочном штампе на падающем молоте.
Технические условия:
1) Кривизна стержня не более 1 мм.
2) Внешние дефекты допускаются глубиной не более 1 мм.
3) Заусенец не более 1 мм, кроме мест, оговоренных на чертеже. Штамповка на горизонтально ковочных машинах применяется для получения паковок высадкой из пруткового материала в штампах с разъемными матрицами.
Этот метод характеризуется высокой производительностью, экономией материала в связи с ничтожными потерями на заусенец (не более 1%) и повышенной точностью выполнения поковок (8 — 9 класса)
Исходным материалом для получения поковок обычно служит круглый прокат повышенной точности.
Повышенная точность проката необходима для того, чтобы избежать его зацепления в зажимном ручье штампа и образования продольного заусенца в плоскости разъема матриц.
Правильность выбранного метода получения заготовок определяется:
1. Коэффициентом использования материала:
Определяется отношением чистого веса детали к весу заготовки
K_M=3,135/5,140=0.61
G_1 - масса заготовки по базовой технологии 5,140кг:
G_2 - масса заготовки по проекту 5,140 кг.
2. Себестоимостью заготовки:
стоимость одного килограмма заготовки определяется по формуле:
C_M=C_МТ/1000•К_П•К_В•К_С•К_М
С_МТ- стоимость горячей штамповки на горизонтальной ковочной машине (630 руб. за 1 тонну)
К_П – поправочный коэффициент, зависящий от программы выпуска, равен 0,8
K_В- поправочный коэффициент, зависящий от веса штамповки, равен 1
K_С - поправочный коэффициент, зависящий от сложности штамповки, равен 1
K_M - поправочный коэффициент, зависящий от материала штамповки, равен 1.03
C_M=630/1000•0.8•1•1•1.03=0,52 руб
Стоимость заготовки по базовому заводу:
С_з=0,52•5,323=2,76 руб.
Стоимость по проекту:
С_з=0,52x5,14=2.67 руб.
Годовая экономия металла:
Эм = 170000x0,183 = 31110 кг.
Эр = 170000x0,037 = 6290 руб.
При выборе машины помимо размеров штамповки и сходной заготовки имеет значение усилие в конце рабочего хода.
При штамповке с заусенцем расчетное усилие определяется по формуле:
P=5•(1-0,001•D_П )•?(D_П+10)?^2•?_ПР
D_П=1,15v(F_n )=1.15v5253=83.35 мм
F_n=5253 мм - площадь в плоскости штамповки;
?_ПР=11.8 кг/мм2 - предел прочности материала при температуре окончания штамповки t = 900° С.
P=5•(1-0,001•83,35)•?(83,35+10)?^2•11,8=471,3
Принимаем горизонтально-ковочную машину В-1138 с усилием 6300 Н.
Выбор и обоснование технологических баз предварительная оценка точности базирования
Одним из наиболее сложных и важных разделов проектирования технологического процесса является назначение технологических баз. От правильности выбора технологических баз зависят точность выполнения линейных размеров, заданных конструктором, правильность взаимного расположения поверхностей, точность обработки, которую должен выдерживать рабочий при выполнении запроектированной технологической операции, степень сложности и конструкция приспособления, режущих инструментов, общая производственная обработка заготовок.
Также при выборе баз необходимо стремиться к тому, чтобы по мере возможности соблюдались принципы единства и постоянства баз. Несоблюдения этих принципов ведет к увеличению погрешности взаимного расположения поверхностей, обработанных от разных технологических баз, дополнительно внося в нее погрешность взаимного расположения самих баз, от которых производительность обработки поверхностей и возникновение погрешности базирования при несовпадении баз. Поэтому для повышения точности обработки и создания опорных технологических баз, в качестве базирующих поверхностей следует выбирать поверхности простейшей формы (плоскости, цилиндрические поверхности).
На первой операции были созданы искусственные технологические базы, центровые отверстия, которые используются для дальнейшей обработки детали.
Обоснование и разработка технологического маршрута
Маршрут обработки детали спроектирован на базе типового технологического процесса, применительно для конкретного производства. За исходные данные приняты: конструкция детали, программа выпуска, вид заготовки, сведения об оборудовании, приспособлениях, инструменте.
