РАСЧЕТ ШЛИЦЕВОЙ ПРОТЯЖКИ

 

Исходные данные для проектирования протяжки для обработки шлицевой втулки d – 10x112H7x125H12x18D9:

- наружный диаметр шлицев – мм;

- внутренний диаметр шлицев – мм;

- число шлицев – ;

- ширина шлица – мм;

- материал детали – Сталь 20ХН3А, твердость – 255НВ;

- длина протягивания – мм;

- шероховатость – мкм;

 

3.1 Выбор конструкции и материала протяжки

3.1.1 Анализ и техническое обоснование принятой конструкции протяжки

 

При обработке втулки для шлицевого соединения с центрированием по внутреннему диаметру шлицев протяжка должна иметь круглые, фасочные и шлицевые группы зубьев.

Принимаем протяжку групповой схемы резания, т.к. они позволяют работать со значительно большими подъемами, чем одинарной, и обеспечивают большую продуктивность обработки. При центрировании шлицевой втулки на валу по внутреннему диаметру принимаем тип протяжки – КФШ (круглые, фасочные, шлицевые).

 

3.1.2 Выбор материала протяжки

 

Учитывая вид обрабатываемого материала, его физико-механические свойства и тип протяжки по [3, с.4, табл.1] выбираем материал для изготовления протяжки – быстрорежущая сталь марки Р9 ГОСТ 19265-73.

 

3.2 Выбор типа хвостовика и его размеров

 

Для закрепления хвостовика выбираем быстросменный патрон. На рисунке 3.1 приведены основные размеры хвостовика протяжки.

Рисунок 3.1 – Основные размеры хвостовика протяжки

 

Диаметр хвостовика должен быть меньше диаметра предварительно обработанного отверстия Do не менее чем на 0,3 мм для свободного входа хвостовика в деталь.

По [3, с.5, табл. 2] выбираем основные размеры хвостовика:

Dхв=100 мм; Dох=75 мм; а=32 мм; а1=50 мм; а2=50 мм; r=0,8 мм; r1=6 мм; а3=2 мм; Fох=4417,9 мм2; l1=240 мм.

 

 

3.3 Определение профиля и геометрических параметров зубьев протяжки

3.3.1 Выбор размеров и профиля стружечных канавок

 

У протяжек шаг черновых и переходных зубьев на всех частях протяжки принимается одинаковым и равным:

, мм,

где L – длина обрабатываемой втулки, L=130 мм;

К =1,8...2,0 для групповой схемы резания.

мм.

Принимаем t=22 мм. По [3, с.5, табл. 3] определяем форму, размеры профиля зубьев (рисунок 3.2) и активную площадь стружечной канавки: h=9 мм; r=4,5 мм; b=6 мм; R=16 мм; Fa=63,6 мм2.

Рисунок 3.2 – Форма и размеры профиля зубьев протяжки

 

Для обеспечения нормальной работы протяжки без вибраций и удовлетворительного качества обработанной поверхности должно выполняться неравенство:

2 £ Zmax £ 6...7,

где Zmax – максимальное количество одновременно работающих зубьев;

– количество одновременно работающих зубьев.

; Zmin=5; Zmax= Zmin+1=5+1=6;

2 < 6 < 7, т.е. неравенство выполняется.

 

3.3.2 Выбор геометрических параметров протяжки

 

В зависимости от обрабатываемого материала выбираем значения передних углов; в зависимости от точности обработки выбираем значения задних углов по [3, с.6, табл. 4]:

Черновые, переходные зубья =15º+1º; =3º±30';

Чистовые зубья =3º±30'; =2º±15';

Калибрующие зубья =3º±30'; =1±15'º.

3.3.3 Определение подъемов на зуб

 

Черновые зубья протяжки объединены в группы по два зуба в каждой. Подъем на черновую группу рассчитывается по формуле:

Szч = Fакт/(L×Kдоп), мм/гр,

где Fакт – активная площадь стружечной канавки зубьев протяжки, мм2;

Fакт=63,6 мм2 [3, с.5, табл. 3];

Kдоп – минимально допустимый коэффициент заполнения стружечной канавки,

Для обработки чугуна Kдоп=3.

Szч =63,6/(130·3)=0,16 мм/гр.

Подъем на переходную группу зубьев протяжки определяем по [3, с.8, табл. 6]: Апер=0,32 мм; количество переходных секций – 2. Распределение припуска по секциям: 1 секция – 0,67Апер; 2 секция – 0,33Апер.

Чистовые зубья протяжки выполняют несекционными с подъемом на каждый зуб. Подъем на чистовые зубья и общее количество чистовых и калибрующих зубьев зависит от квалитета точности и шероховатости обработанной поверхности. Их значения выбираем по [3, с.8, табл. 7].

Шлицевые зубья:

- общий припуск на чистовые зубья на диаметр - 0,08 мм;

- общее количество чистовых зубьев – 3 шт;

- число чистовых зубьев с подъемом Sz=0,02 мм/зуб – 1 шт;

- число чистовых зубьев с подъемом Sz=0,01 мм/зуб – 2 шт;

- число калибрующих зубьев – 4.

Круглые зубья:

- общий припуск на чистовые зубья на диаметр – 0,12 мм;

- общее количество чистовых зубьев – 4 шт;

- число чистовых зубьев с подъемом Sz=0,02 мм/зуб – 2 шт;

- число чистовых зубьев с подъемом Sz=0,01 мм/зуб – 2 шт;

- число калибрующих зубьев – 4.

 

3.4 Выбор станка

3.4.1 Расчет сил резания при протягивании

 

Для выбора станка необходимо определить силы резания, которые возникают при протягивании на разных частях комбинированной протяжки. Максимальные силы резания возникают при работе черновых зубьев, поэтому при выборе станка учитывают только их.

Сила резания, которая возникает во время работы черновых зубьев протяжки, зависит от параметров среза и обрабатываемого материала:

P=рb1Zmax,К, Н,

где р – удельная сила резания, которая приходится на еденицу длины режущей кромки зуба, Н/мм2, по[3, с.9, табл. 8] р=398 Н/мм2;

Zmax –максимальное количество одновременно работающих зубьев, Zmax=6;

b1 - длина режущей кромки одного зуба, мм;

К – коэффициент.

Коэффициент К учитывает геометрические параметры протяжки:

К=КaКgКhК0,

где Кa и Кg – коэффициенты, которые учитывают влияние переднего и заднего углов, по [3, с.10, табл. 9] Кa = 1; Кg=1.

Кh – коэффициент, который учитывает влияние износа протяжки. Для новой протяжки Кh=1.

К0 – коэффициент, который учитывает охлаждение. При работе с охлаждением – К0=1,0.

К=1·1·1·1=1,

Для протяжек группового резания каждый зуб группы снимает 1/Z часть общей ширины слоя металла, который снимается, где Z – количество зубьев в группе.

Для фасочной части протяжки длина режущей кромки одного зуба равна:

, мм

где b – ширина шлицевого паза, мм, b=18 мм;

f – величина фаски в основе шлица, мм, f =0,5 мм [4, с.828];

Zф=2 – количество зубьев в группе фасочной части протяжки,

n – количество шлицев, n = 10.

мм.

Для шлицевой части протяжки длина режущей кромки одного зуба равна:

, мм,

где Zш=2 – количество зубьев в группе шлицевой части протяжки.

мм.

 

 

Для круглой части протяжки длина режущей кромки одного зуба равна:

, мм,

где Zк=2 – количество зубьев в группе шлицевой части протяжки.

мм.

Максимальная сила резания, возникающая во время работы зубьев курглой части: P=379855 Н.

 

3.4.2 Выбор модели станка

 

Станок выбираем по максимальной рассчитанной силе резания. Принимаем станок модели 7Б540 с характеристиками:

- номинальное тяговое усилие станка Q =400 000 Н;

- максимальная длина рабочего хода 2000 мм;

- мощность электродвигателя 40 кВт;

-минимальный размер от торца хвостовика протяжки до первого зуба, который режет lсч= l1+ l2+ l3+ l4=400+L, где L-длина втулки, которая протягивается.

 

3.4.3 Определение скорости резания

 

Скорость резания при протягивании принимается в зависимости от обрабатываемого материала, конструкции и материала протяжки, подачи, характера выполняемой работы, требований по точности и чистоте поверхности, и находится в пределах от 0,5 до 15 м/мин.

Выбираем значение скорости резания по [3,с.10, табл. 11] V=5 м/мин.

Выбранная скорость резания должна быть проверена по мощности станка.

 

Мощность станка определяется по формуле:

N=0,013·P·V, кВт,

где P – наибольшее значение силы резания, которая возникает во время работы черновых зубьев фасочной части протяжки, Н.

N=0,013·379855·5 = 24,69 кВт.

Мощность электродвигателя станка модели 7Б540 – 40 кВт.

40 кВт > 24,69 кВт - условие выполняется.

 

3.4.4 Проверка протяжки на прочность

 

Для того чтобы в процессе не произошел разрыв протяжки, необходимо выполнить ее проверку на прочность по опасному сечению. Опасным сечением протяжки является минимальный диаметр. В данном случае это минимальный диаметр хвостовика Dох. Необходимо проверить выполнение двух условий:

1) условие отсутствия опасности разрыва протяжки по хвостовику:

Рдоп³Qh,

где Рдоп – допустимое разрывное усилие для хвостовика, Н;

Q – тяговое усилие станка, Н, Q =400000 Н;

h – КПД станка, принимаем h = 0,9.

Допустимое разрывное усилие для хвостовика определяется по формуле

Pдоп = Fox×[spKи, Н

где Fox – площадь опасного сечения, мм2; Fox=4417,9 мм2.

[sp] – допустимое напряжение на растяжение для стали 40Х [sр] = 250 МПа;

Kи – коэффициент, который учитывает влияние изгиба протяжки (Kи = 0,9).

Pдоп=4417,9·250·0,9 = 994027 Н.

Выполним проверку.

994027 > 400 000 · 0,9;

994027 > 360 000 – условие выполняется.

 

2) условие отсутствия опасности разрыва протяжки по впадине первого зуба:

,

где Dоп = Do – 2h –минимальный диаметр протяжки в сечении, которое проходит по впадине первого зуба;

Do – диаметр отверстия до протягивания, мм, Do=62 мм;

h – глубина стружечной канавки, мм, h = 9 мм;

[sр] – допустимое напряжения материала протяжки на разрыв, для стали Р9 [sр] = 400 МПа.

Dоп = Do – 2h = 112 2·9 = 94 мм;

;

Н – условие выполняется.

 

3.5 Расчет круглой части протяжки

 

Диаметр предварительно обработанного отверстия:

D0= dmax – Акр, мм,

где Акр – припуск на круглі зубці, мм, Акр=0,8;

dmax – максимальний внутрішній діаметр втулки, що протягується з урахуванням допуску, мм,

dmax=d+T±d = 112+0,035+0,01 = 112,045 мм,

где d – внутрішній діаметр втулки;

T – допуск на діаметр;

d – величина зміни діаметру отвору після протягування, розбивання (+), усадка (-).

D0= dmax – Акр=112,045–0,8=111,245 мм.

Припуск на черновую часть расчитывают по формуле:

Акч = Ак – (Ак пер + Ак чист)=0,8–(0,32+0,12)=0,36 мм.

Количество черновых секций:

,

где Szч – подъем на зуб в черновых секциях, Szч=0,16 мм/зуб;

Количество черновых зубьев определяется по формуле:

Zкч=2ікч+1=2·1,125+1=3,25.

Единица добавляется потому, что первый зуб протяжки выполняется без подъема – его диаметр равен диаметру предварительно обработанного отверстия с нижним отклонением.

Принимаем Zкч=4.

 
 

Круглые черновые и переходные зубья группируются в двузубые секции, причем первые зубья в каждой секции имеют делают с выкружками (рис.3.3), а вторые выполняются цилиндричными, заниженными по диаметру на 0,02 мм для компенсации упругой деформации металла втулки.

Рисунок 3.4 – Профиль черновых и переходных зубьев круглой протяжки с выкружками

Параметры выкружек по [3, с.16, табл. 13]. Количество выкружек i=12. Ширина выкружек a=8,5 мм.

Для повышения точности обработанной поверхности шаг чистовых и калибрующих зубьев принимают меньшим, чем шаг черновых зубьев:

tчист = (0,7 – 0,8)·t=0,75·22=16 мм.

Общая длина круглой части протяжки определяется по формуле:

Lк = (Zк черн+Zк пер)*t(Zк чист+Zк кал)*tчист =(4+4)·22+(4+4)·16=304 мм.

 

3.6 Расчет фасочной части протяжки

 

Диаметр предварительно обработанного отверстия – Do=112 мм.

Припуск под фасочные зубья:

Аф=dфп – d, мм

где dфп = d + 2¦ + (0,3...0…0,4)– диаметр последнего фасочного зуба, мм;

¦ - величина фаски в основе шлица, мм; ¦ = 0,5 мм [4, с.828];

d – внутренний диаметр шлица втулки, мм, d=112 мм.

dф.п=112 + 2·0,5+0,3=113,3 мм.

Аф = 113,3 - 112 = 1,3 мм.

Количество черновых секций:

,

где Szч – подъем на зуб в черновых секциях, Szч=0,16 мм/зуб;

Количество зубьев определяется по формуле:

Zфч=2іф+1.

,принимаем 4 шт.

Zфч=2·4+1=9

Принимаем Zфч=8.

 

Фасочные зубья группируются в двузубые секции, причем первые зубья в каждой секции имеют на боковых поверхностях выкружки для распределения стружки по ширине (рис.3.5), а вторые выполняются без выкружек, заниженные по диаметру на 0,02 мм для компенсации упругой деформации металла втулки. Радиус выкружки определяется графически так, чтобы ширина первого зуба секции была приблизительно на половину меньше ширины второго зуба.

 

Ширина выкружек принимается равной:

b1=(0,5-0,6)b, мм,

где b – ширина шлица, мм, b=18 мм.

b1=0,5·18=9 мм.

Рисунок 3.5 – Профиль фасочных зубьев с выкружками

 

Общая длина фасочной части протяжки определяется по формуле

Lф= Zф ·t , мм.

где t – шаг черновых зубьев протяжки, t=22 мм.

Lф= 9 ·22 =198 мм.

 

3.7 Расчет шлицевой части протяжки

 

Шлицевые зубья протяжки, независимо от ее типа, снимают припуск, величина которого определяется по формуле:

Аш = Dmax - dф., мм,

где dф. – диаметр фаски в основе шлица, мм;

dф.=d+2c =112+2·0,5 =113 мм (с=0,5ммвеличина фаски [4, с.828]);

Dmax – максимальный внешний диаметр втулки, которая протягивается, с учетом допуска и разбиение.

dmax=d + T ±d , мм,

где T– допуск на диаметр, мм; по Н12 для D=125 мм T=0,4 мм;

d - величина изменения отверстия после протягивания, разбиение (+), усадка (-)

При обработке чугуна происходит разбиение отверстия. Величина разбиения d =0,01 мм.

dmax = 125 + 0,4 + 0,01 = 125,41 мм.

Аш = 125,41 – 113 = 12,41 мм.

Весь припуск Аш снимают черновые, переходные и чистовые зубья протяжки. Припуск на переходные группы (Аш пер) и чистовые зубья (Аш чист) выбираем по [3, с.8, табл.6, табл.7].

Припуск на черновую часть рассчитывают по формуле

Ашч = Аш – (Аш пер + Аш чист), мм,

Ашч = 12,41 – (0,32 + 0,08) = 12,01 мм.

Количество черновых секций:

,

где Szч – подъем на зуб в черновых секциях, Szч=0,16 мм/зуб;

,

Количество черновых зубьев:

Zшч=2ішч = 2·37,53 = 76.

Принимаем Zшч=76.

Количество переходных секций – 2. Количество переходных зубьев

Zшпер=2ішпер= 2·2 = 4.

Количество чистовых (Zшчист) и калибрующих (Zшкал) зубьев принимаем по [3, с.8, табл.7]: Zшчист = 3; Zшкал=4.

Ширина шлицев на протяжке должна обеспечить ширину паза шлицевой втулки в пределах поля допуска. Во время работы происходит разбиение паза. Поэтому допуск на изготовление шлицев протяжки не совпадает с допуском на ширину паза шлицевой втулки. Взаимное расположение полей допусков паза и шлица протяжки показано на рис. 3.6.

 
 

Рисунок 3.6 – Расположение полей допусков на ширину шлица протяжки

 

Допуск рассчитывается по формуле:

bu=bo+eSo–p,

где bи - номинальная ширина шлица протяжки, мм;

bo - номинальная ширина шлица втулки, bo=18 мм;

eSo - верхнее отклонение размера ширины шлица втулки,

- разбиение ширины шлица протяжки,

1 – накопленная погрешность окружного шага шлицев протяжки;

2 – допуск спералеобразности боковых поверхностей зубьев протяжки относительно оси центров на 500 мм длины;

3 – допуск симметричности зубьев относительно оси центров в поперечном сечении зуба протяжки.

1=0,020 мм; 2=0,010 мм; 3=1/3·0,043=0,014 мм [3, с.21, прил.1].

bu=18+0,043-0,026=18,017 мм,

Шлицевые черновые и переходные зубья группируются в секции, причем первые зубья в каждой секции имеют на боковых поверхностях выкружки для распределения стружки по ширине (рис.3.7), а вторые выполняются без выкружек, заниженные по диаметру на 0,02 мм для компенсации упругой деформации металла втулки.

Рисунок 3.7 – Профиль черновых и переходных шлицевых зубьев с выкружками

Радиус выкружки определяется графически так, чтобы ширина первого зуба секции была приблизительно на половину меньше ширины второго зуба. Ширина выкружек принимается равной:

b1=(0,5-0,6)·b, мм,

где b – ширина шлица, мм, b=18 мм.

b1=0,5·18=9 мм.

Чистовые зубья выполняют несекционными с подъемом на каждый зуб. Выкружек на чистовых и калибрующих зубьях нет.

Для повышения точности обработанной поверхности шаг чистовых и калибрующих зубьев принимают меньшим, чем шаг черновых зубьев tчист = (0,7 – 0,8)·t, мм.

tчист = 0,8·22=16 мм.

Lш = (Zш год + Zш пер)·t +(Zш чистий + Zш калtчист , мм.

Lш = (76 + 4) · 22 + (3 + 4) · 16 = 1872 мм.

3.8 Определение конструктивных размеров протяжки

 

Диаметры первых зубьев групп определяют путем добавления двойного подъема на зуб к диаметру первого зуба предыдущей группы:

di+1 = di+ 2 S, мм.

Диаметр второго зуба группы выполняется меньшим по диаметру на 0,02-0,04 мм для компенсации упругой деформации обрабатываемого металла.

Зубья в чистовых частях протяжки выполняют несекционными, т.е. диаметр каждого следующего зуба рассчитывается по формуле

di+1 = di+ 2 Sz истч, мм.

Диаметры последнего чистового зуба и всех калибрующих одинаковые и равные максимальному диаметру обрабатываемой втулки с учетом допуска на разбивку.

Переходной конус выполняется для обеспечения легкого ввода направляющей протяжки в обрабатываемую втулку. Длина переходного конуса lпк=10 – 20 мм, в зависимости от диаметра.

Минимальная длина шейки определяется в зависимости от типа станка и длины обрабатываемой детали.

lш = lст – lпк – lпн – lхв, мм,

где lст - минимальный размер от торца хвостовика протяжки до первого режущего зуба [1,с.10, табл.10];

lпк – длина переходного конуса, мм, lпк=20 мм;

lпн – длина передней направляющей, мм, lпн= L=80 мм;

lхв –длина хвостовика, мм, lхв = 240 мм

lш = 530 – 20 – 130 – 240 = 140 мм.

За длину передней направляющей принимается расстояние от конца переходного конуса до первого режущего зуба, включая ширину первой впадины между зубьями.

Задняя направляющая предназначена для исключения возможности перекоса обработанной детали и повреждения обработанной поверхности в момент выхода из нее последнего зуба протяжки.

Длина передней направляющей выбирается в зависимости от отношения длины протягиваемой втулки L к ее диметру D.

При L/ D 1,5 lпн= L; L/ D=130/125 = 1,04 < 1,5 lпн=130 мм.

Длина задней направляющей зависит от размера отверстия и типа протяжки. По [3, с.19, табл.17] lзн = 70 мм.

Общая длина протяжки рассчитывается как сумма длин всех составных частей протяжки

L= l1+ l2+ l3+ l4+ lф+lш+lкр+ lзн=240+140+20+130+304+176+1872+70=

=2952 мм.

Длина протяжки не должна превышать величины, которая допускается технологическими возможностями ее производства и параметрами станка.

По [3, с.20, табл.18] при диаметре протяжки более 70 мм, допустимая длина протяжки Lдоп =2000 мм. L= 2952 мм < Lдоп= 2000 мм – условие не выполняется.

Если условие не выполняется, следует перейти к протягивания в два прохода. При назначении протяжки в два прохода рекомендуется разбивать протяжку по шлицевой части, что обеспечивает удовлетворительное центрирование протяжки второго прохода.

Ширина зубцов шлицевой части первой протяжки назначается меньше ширины шлицевого паза во втулке b, а оставшийся материал снимается дополнительными зубцами на второй протяжке, работающих по одинарной схеме. Такое требование определено необходимостью обрабатывать боковую сторону шлица зубами одного инструмента для уменьшения погрешностей. Следует отметить , что в конце протяжки первого прохода добавляют несколько калибрующих зубов как запас на переточку .

В общем случае длины протяжек первого и второго прохода должны быть близкими, чтобы обеспечить примерно равный основное технологическое время обработки.

Разобьем шлицевую часть следующим образом:

Количество зубьев шлицевой части протяжки первого прохода:

z=36, Lш=3622=792 мм.

Количество зубьев шлицевой части протяжки второго прохода:

z=47, Lш=4022+422+716=880+112=1080 мм.

Длина протяжки первого прохода:

L= l1+ l2+ l3+ l4+ lк+ lф+lш+ lзн=240+140+20+130+304+198+792+70=

=1894 мм.

Длина протяжки второго прохода:

L= l1+ l2+ l3+ l4+lш+ lдоп+ lзн=240+140+20+130+992+88+70=1768 мм,

где lдоп длина дополнительныхчетырёх зубьев, которые снимают остаток ширины паза b.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате выполнения курсового проекта спроектированы указанные инструменты для обработки деталей с заданными размерами и параметрами.

Выполнен расчет комбинированной сверла для обработки отверстий, выбран материал, рассчитаны основные геометрические параметры режущих частей и габаритные размеры инструмента.

Выполнен расчет шлицевой протяжки. На основе исходных данных выбран материал протяжки, определен профиль и геометрические параметры зубьев. Определены конструктивные размеры.

Выполнен расчет фрезы. На основе исходных данных выбран материал фрезы, определен профиль и геометрические параметры зубьев. Определены конструктивные размеры.

Разработаны чертежи спроектированных режущих инструментов, приведенные в приложениях с указанием предельных отклонений размеров и шероховатостей на поверхности инструмента.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

 

1) Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни „Різальний інструмент” Розрахунок інструмента для обробки отворів (для студентів кваліфікаційного напрямку 6.0902 „Інженерна механіка” спеціальностей 7.090201 „Технологія машинобудування”, та 7.090203 „Металорізальні верстати та системи”)/ Укл.: Малишко І.О., Кисельова І.В. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – 9 с.

2) Справочник технолога-машиностроителя .В 2-х т. С74 Т.1/Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова.-4-е изд.,перераб. и доп.-М.:Машиностроение,1986. 656 с., ил.

3) Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни „Різальний інструмент” Розрахунок інструментів для обробки зубчастих коліс та шліцьових валів (для студентів кваліфікаційного напрямку 6.0902 „Інженерна механіка” спеціальностей 7.090201 „Технологія машинобудування”, та 7.090203 „Металорізальні верстати та системи”)/ Укл.: Малишко І.О., Кисельова І.В. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – 48 с.

4) Режущий инструмент. Курсовое и дипломное проектирование. Учебное пособие. Под ред. Е.Э. Фельдштейна. - Мн.: Дизайн ПРО, 2002. - 320с.

5) Российский государственный профессионально-педагогический университет, Кафедра ТМ, "Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Металлорежущий инструмент», г. Екатеринбург 2003 г., стр. 29.

6) Киреев Г. И. "Проектирование метчиков и круглых плашек: учебное пособие." – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 107 с.