Механическая обработка валов: материал, термообработка, раствор.

Вал является важнейшим компонентом машин. Он соединен с рамой посредством подшипников, а установленные на нем компоненты совершают вращательное движение вокруг центральной оси вала. Вместе эти элементы образуют вал в сборе.

Обзор валов

Вал — это вращающийся компонент любой машины, имеющий круглое поперечное сечение, используемый для передачи энергии от одной части к другой или от источника энергии к потребителю. Для облегчения этой передачи энергии один конец вала соединен с приводом, а другой — с машиной. Валы могут быть цельными или полыми в зависимости от применения; полые валы выгодны с точки зрения снижения веса. Являясь важным механическим элементом, валы поддерживают вращающиеся компоненты, такие как шкивы и шестерни. Обычно они поддерживаются подшипниками внутри жесткого корпуса, что позволяет шестерням и шкивам эффективно передавать движение.

На вал с помощью шпонок крепится множество других вращающихся элементов. Следовательно, валы подвергаются как изгибающим моментам, так и крутящему моменту, возникающим из-за сил реакции поддерживаемых компонентов и крутящего момента, генерируемого при передаче мощности.

В зависимости от типа нагрузки валы подразделяются на следующие три типа:

• Вал шпинделя: вал, который воспринимает только изгибающие моменты, но не крутящий момент. Валы шпинделя, в свою очередь, делятся на вращающиеся и невращающиеся.
• Приводной вал: вал, который только передает крутящий момент, не подвергаясь значительным изгибающим моментам, или изгибающие моменты пренебрежимо малы. Например, вал, соединяющий коробку передач и задний мост в автомобиле.
• Трансмиссионный вал: вал, который подвергается как изгибающим моментам, так и крутящему моменту, например, валы в редукторах. Примером может служить карданный вал, соединяющий коробку передач автомобиля с задним мостом.

В зависимости от формы, валы можно разделить на несколько типов. В таблице ниже показаны различные типы валов по их форме и конструкции.

Точность обработки валов

Поверхности компонентов вала обычно делятся на опорные и согласующие шейки.

• Опорные шейки: Они устанавливаются вместе с внутренним кольцом подшипника для фиксации и поддержки вала. Для них требуется высокая точность размеров, обычно IT5–IT7.
• Сопрягаемые подшипники: Они взаимодействуют с различными компонентами трансмиссии. Требования к допускам для них, как правило, ниже, обычно IT6–IT9.

Геометрическая точностьВ первую очередь это относится к округлости и цилиндричности критически важных поверхностей, таких как поверхности цапф, наружные конусы и конические отверстия. Погрешности, как правило, должны быть ограничены зоной допустимых размеров. Для прецизионных валов геометрические допуски должны быть четко указаны на технических чертежах.

Точность позиционирования: включает в себя соосность внутренних и внешних поверхностей, радиальное биение, перпендикулярность критически важных торцевых поверхностей к оси и параллельность между торцевыми поверхностями.

Шероховатость поверхностиДля всех обработанных поверхностей существуют определенные требования к шероховатости, определяемые технологичностью и экономической эффективностью процесса. Для опорных валов обычно требуется Ra 0.2–1.6 мкм, а для валов, используемых в компонентах трансмиссии, — Ra 0.4–3.2 мкм.

Материалы для валов

Валы в основном изготавливаются из углеродистой и легированной стали. Наиболее распространенным выбором является углеродистая сталь 1045, обычно требующая нормализации или закалки и отпуска для улучшения механических свойств. Легированные стали обладают превосходными механическими свойствами и характеристиками термообработки по сравнению с углеродистой сталью, но более чувствительны к концентрации напряжений и имеют более высокую стоимость. Поэтому они используются в высокоскоростных, тяжелых или специальных условиях (например, для повышения износостойкости, работы в условиях высоких/низких температур). Следует отметить, что поскольку модуль упругости легированной и углеродистой стали практически одинаков при комнатной температуре, замена углеродистой стали на легированную не приведет к значительному увеличению жесткости вала.

Для валов, несущих большие нагрузки или требующих высокой прочности, компактной конструкции или лучшей износостойкости, используются легированные стали, такие как 5140, 5120 или 9255. Поскольку легированная сталь очень чувствительна к концентрации напряжений, конструкция должна минимизировать эти эффекты. Для полного раскрытия свойств материала необходима надлежащая термообработка.

Заготовки валов изготавливаются из горячекатаного круглого прутка или поковок. Для сложных форм, таких как коленчатые и распределительные валы, может использоваться литая сталь или высокопрочный чугун, последний обеспечивает превосходное гашение вибраций, низкую чувствительность к концентрации напряжений и экономичность.

Термическая обработка вала

В качестве стандартных материалов используются среднеуглеродистые и среднеуглеродистые легированные стали (например, 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 или 1541). Обычно они подвергаются нормализации или закалке и термообработке. Если требуется высокая износостойкость шейки вала, может быть применено поверхностное упрочнение.

Выбор материала зависит от типа нагрузки, размеров детали и закаливаемости. Для валов, подверженных изгибающим и крутящим нагрузкам, где напряжение уменьшается от поверхности к центру, высокая закаливаемость не является строго обязательной. Однако для валов, подверженных растяжению или сжатию, где напряжение равномерно распределено по поперечному сечению, необходима сталь с высокой закаливаемостью.

Для высоких ударных нагрузок или при экстремальных требованиях к прочности и износостойкости используются легированные цементированные стали, такие как 5120 или 4320, с последующей цементацией, закалкой и низкотемпературным отпуском. Для валов с низкой вязностью и минимальной нагрузкой можно использовать универсальные углеродистые стали, такие как 1015 и 1025.

На рисунке показана термообработка при механической обработке валов.

1. Нормализация или отжиг: Выполняется перед механической обработкой для измельчения зерен, устранения напряжений, возникающих при ковке, и улучшения обрабатываемости.
2. Закалка и отпуск (З&О): Обычно выполняется после черновой токарной обработки, но перед получистовой токарной обработкой для достижения оптимальных комплексных механических свойств.
3. Поверхностное упрочнение: проводится перед окончательной отделкой для коррекции любых деформаций, вызванных закалкой.
4. Низкотемпературное старение: необходимо для высокоточных валов после локальной закалки или грубой шлифовки.

Выбор опорных точек позиционирования

Обычно в качестве базовой точки для позиционирования деталей вала используются два центральных отверстия. Поскольку соосность и перпендикулярность являются основными требованиями к точности, в качестве базовой точки при проектировании обычно используется осевая линия вала.

Однако центральные отверстия нельзя использовать, если:

• Для черновой обработки требуется более высокая жесткость, в этом случае используется поверхность наружного диаметра.
• Вал полый, со сквозным отверстием.

Методы изготовления полых валов:

1. Небольшие отверстия: Снять фаску с внутреннего конуса под углом 60° (ширина ≤ 2 мм) в месте отверстия.
2. Цилиндрические отверстия: используйте конусную пробку (конусность 1:500).
3. Для больших конических отверстий используйте оправку с конической пробкой.

Технологические маршруты обработки

Основное внимание при механической обработке уделяется внешним цилиндрическим поверхностям цапф. Технологический процесс разработан с учетом последовательности обработки внешнего диаметра, с чередованием обработки второстепенных элементов, таких как резьба, шлицы, шпоночные пазы.

(1) Валы из цементированной стали

Подготовка материала → Ковка → Нормализация → Сверление центрирующих отверстий → Черновая токарная обработка → Получистовая/чистовая токарная обработка → Цементация → Закалка и низкотемпературный отпуск → Черновая шлифовка → Вторичная обработка элементов → Чистовая шлифовка.

(2) Стандартные прецизионные стальные валы Q&T

Подготовка материала → Ковка → Нормализация (отжиг) → Сверление центрирующих отверстий → Черновая токарная обработка → Закалка и штамповка → Получистовая/чистовая токарная обработка → Поверхностная закалка и отпуск → Черновая шлифовка → Вторичная обработка элементов → Чистовая шлифовка.

(3) Валы из азотированной стали

Подготовка материала → Ковка → Нормализация (отжиг) → Сверление центрирующих отверстий → Черновая токарная обработка → Закалка и штамповка → Получистовая/чистовая токарная обработка → Низкотемпературное старение → Черновая шлифовка → Азотирование → Вторичная обработка деталей → Чистовая шлифовка → Притирка/полировка.

Пример обработки: ступенчатый вал

Данная деталь представляет собой ступенчатый вал, состоящий из цилиндрических поверхностей, плечиков вала, резьбы и квадратной головки.

(1) Материалы и изготовление заготовок

Вал изготовлен из стали марки 45 (эквивалент AISI 1045). Несмотря на небольшой объем производства, диаметр цапф значительно варьируется (от максимального ø50 мм до минимального ø13 мм). Для оптимизации использования материала в качестве заготовки используется кованая деталь, после чего проводится нормализация.

(2) Технические требования

Точность размеров: Шейка диаметром 25 мм должна соответствовать допуску IT7. Шероховатость поверхности задана на уровне Ra 0.8 мкм. Используя плечо диаметром 50 мм в качестве базовой точки, допуск на перпендикулярность оси 25 мм составляет 0.02 мм, а допуск на параллельность между двумя торцевыми поверхностями плеча — 0.02 мм.

(3) Базовые точки позиционирования

Для обеспечения соосности различных валов в качестве базовой точки используются центральные отверстия на обоих концах. Эта базовая точка позиционирования остается неизменной на протяжении всех процессов токарной, фрезерной и шлифовальной обработки, что минимизирует ошибки настройки.

(4) Методы обработки

Поскольку вал состоит преимущественно из поверхностей вращения, основными процессами формообразования являются токарная обработка и шлифовка. Так как для цапфы диаметром 25 мм и плечевой поверхности диаметром 50 мм требуется высокая геометрическая точность в дополнение к точности размеров, шлифовка выполняется после токарной обработки. Последовательность обработки наружных поверхностей следующая: черновая токарная обработка → получистовая токарная обработка → шлифовка

(5) Маршрут обработки

Для деталей с высокими требованиями к точности необходимо разделять этапы черновой и чистовой обработки для обеспечения качества. Обработка этого вала разделена на три этапа: черновая токарная обработка, получистовая токарная обработка и шлифовка.

(6) Термическая обработка

Поверхности сечения ø25 мм × 35 мм и квадратной головки требуют закалки. Она проводится после получистовой обработки и перед окончательной шлифовкой. Нормализация выполняется после ковки заготовки для снятия внутренних напряжений, измельчения зернистой структуры и улучшения обрабатываемости.

Как Getzshape может помочь

Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке, литью под давлением и многому другому. Ниже перечислены наши возможности по обработке валов на станках с ЧПУ.