Выбор материала и разработка технологии изготовления шпинделя шлифовального станка

Главным недостатком  газовых подшипников является невысокая  несущая и демпфирующая способность  смазочного слоя.

Улучшить  эксплуатационные характеристики шпиндельных  газостатических подшипников можно  за счет применения газовых опор с  частично пористой стенкой вкладыша.

Для обеспечения  основных требований необходимо применять  материал, обеспечивающий высокий уровень:

- жесткости;

- износостойкости;

- циклической  прочности.

 

3 Характеристика сталей для шпинделя шлифовального станка

 

Для обеспечения  вышеперечисленных требований:

Жесткость – сплавы на Fe основе.

Износостойкость – высокая твердость.

Циклическая прочность – структурные состояния слоя и сердцевины.

Решающими факторами, определяющими выбор материала шпинделя, являются твердость и износостойкость рабочих шеек, жесткость базирующих поверхностей фланцев, а также стабильность размеров и формы шпинделя в процессе его изготовления и работы.

Шпиндели  станков нормальной и повышенной точности (Н и П), устанавливаемые в подшипниках качения, изготовляют из сталей марок 40Х, 45, 50. В качестве основного метода упрочнения рекомендуется поверхностная закалка с индукционным нагревом до получения твердости 48...56 HRC.

Если для  рабочих поверхностей шпинделей  требуется твердость 54...59 HRC, а объемная закалка затруднена, шпиндели изготовляют  из сталей 40ХФА и 18ХГТ с последующим  азотированием или из сталей 18ХГТ  и 20Х с последующей цементацией. Для азотирования возможно также  применение стали марки 40Х, но износостойкость  в этом случае будет несколько  меньше.

Шпиндели  станков высокой и особо высокой точности (В и А), устанавливаемые в подшипниках качения, в связи с высокими требованиями к точности изготовления, постоянству размеров, формы и износостойкости рекомендуется выполнять из сталей марок 40ХФА и 18ХГТ и упрочнять методом нитроцементации. При изготовлении шпинделей несложной конфигурации допускается применение цементации с последующей закалкой и отпуском. В этом случае шпиндели изготовляют из сталей марок 18ХГТ, 12ХНЗА и 20Х.

Шпиндели, устанавливаемые  в подшипниках жидкостного трения, должны иметь высокую твердость  и низкую шероховатость рабочих  шеек (0,08 ...0,04 мкм). Основной метод упрочнения шпинделей этой группы — азотирование до твердости 63...68 HRC. Рекомендуемые в качестве материала шпинделя стали типа 38ХВФЮА обеспечивают высокую стойкость азотированной поверхности против задиров. Для азотируемых шпинделей большого диаметра целесообразно использовать сталь марки 38ХЮ.

Применение  сталей с повышенным или высоким содержанием углерода, типа 50, У8А, ШХ15, допускается для шпинделей тяжелых станков. Рабочие шейки и посадочные поверхности в этом случае упрочняют поверхностной закалкой с помощью индукционного нагрева до твердости 54...62 HRC. Шпиндели относительно небольшого диаметра (до 70... 80 мм) изготовляют из цементируемых сталей марок 18ХГТ и 12ХНЗА; рабочие поверхности цементируют и закаливают до твердости 56...60 HRC.

В отдельных  случаях полые шпиндели большого диаметра целесообразно изготовлять из серого чугуна СЧ15, СЧ21 или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Технология изготовления шпинделя шлифовального станка

Для шпинделя шлифовального станка будем применять сталь 38ХВФЮА.

Азотируемая хромоалюминиевая сталь марки 38ХВФЮА (ГОСТ 4543-61), дополнительно легированная ванадием и вольфрамом, обладает усиленной прочностью и вязкостью сердцевины, а также высокой твердостью и износостойкостью после азотирования. Она прекрасно работает при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Кроме того, сталь 38ХВФЮА слабо разупрочняется при нагреве и может использоваться при температурах до 300-400 градусов цельсия.

Применяют марку 38ХВФЮА для изготовления ответственных деталей турбиномоторостроения, которые работают при температурах до 450 градусов цельсия и изделий сложной конфигурации, главные требования которых – высокая поверхностная твердость, износостойкость и повышенный предел выносливости. Это валики, втулки, шпиндели, гильзы цилиндров двигателей, шестерни, иглы форсунок, пальцы, плунжеры и другие детали.

Для стали  будем применять закалку + высокий  отпуск (улучшение).

В стали 38ХВФЮА  после полной закалки в масле  и высокого отпуска образуется структура  сорбит отпуска.

Одним из методов  поверхностного упрочнения является процесс  химико-термической обработки – азотирование. Азотирование применяют для ответственных изделий: шестерён, валов, цилиндров, двигателей, втулок и т. п.

Типовой технологический  процесс изготовления шпинделей  предусматривает следующие этапы:

• производство заготовок;
• предварительная токарная обработка наружных поверхностей с базированием по центровым отверстиям;
• предварительная обработка центрального отверстия, мелких и крепежных отверстий во фланцах;
• чистовая токарная обработка наружных поверхностей окончательно и под шлифование с базированием по центровым отверстиям пробок, а при длинных шпинделях — по одной из центральных шеек (в люнете);
• обработка шлицевых и шпоночных поверхностей, точение наименее точной наружной резьбы; термическая обработка;
• шлифование наружных поверхностей — цилиндрических, резьбовых, торцовых с базированием по центровым отверстиям пробок и, если необходимо, по шейке;
• шлифование внутренних поверхностей с базированием по подшипниковым шейкам.

 

Для особо точных шпинделей  чередующиеся этапы шлифовальной и  токарной обработок наружных и внутренних поверхностей повторяют дважды. Несколько  раз могут повторяться операции стабилизирующего отпуска, правки или  шлифования центровых отверстий  пробок. В целях обеспечения точности рекомендуется все заключительные операции финишной обработки наружных поверхностей выполнять без демонтажа  технологических пробок, а операции обработки внутренних поверхностей — при базировании на опорные  шейки подшипников, определяющих положение  оси шпинделя в корпусе.

Заготовительные операции обработки  шпинделей выполняют так же, как  и операции обработки валов других типов. Заготовки стальных шпинделей, как правило, подвергают термической обработке (улучшению, нормализации). Предварительную токарную обработку наружных поверхностей, если ее выполняют на токарных станках с ЧПУ, гидрокопировальных или многорезцовых станках.

Предварительно центральное  отверстие обрабатывают на специальных  станках для глубокого сверления.

Перовыми сверлами обрабатывают отверстия диаметром 25-120 мм, однокромочными — диаметром 2-30 мм, длиной до 1000 – методом БТА, при сверлении в сплошном материале — диаметром 10-300 мм, эжекторным методом при сверлении в сплошном материале — диаметром 25-65 мм глубиной до 900 мм.

При применении спиральных и  перовых сверл глубокие центральные  отверстия в шпинделе сверлят, как  правило, с двух сторон с переустановкой заготовки. В качестве технологических  баз используют предварительно обточенные шейки шпинделя. Одну из шеек закрепляют в патроне станка, а другую устанавливают  в неподвижный люнет.

Центральное отверстие, как с передней, так и с задней стороны шпинделя, растачивают на токарных станках с ЧПУ или на токарных станках с применением гидрокопировального суппорта. Расточенные конические отверстия служат для установки технологических пробок с центровыми отверстиями.

Чистовую токарную обработку  наружных поверхностей, включая нарезание  резьбы, начинают от центровых отверстий  пробок. Шлицы и шлицевые канавки  обрабатывают так же, как и на валах.

 

 

 

 

 

 

Вид и режимы термической  обработки зависят от материала  шпинделя, его назначения и технологических  требований. Термическая обработка, как правило, должна обеспечивать твердость  рабочих поверхностей, а поверхностей для установки инструмента до 63-66 HRC и отсутствие деформаций шпинделя в течение длительной эксплуатации. Наиболее распространенным видом термической обработки шпинделей являются поверхностная закалка с нагревом ТВЧ и азотирование. Перед азотированием обязательно производят предварительное шлифование всех термически упрочняемых поверхностей.

Наружные поверхности  шлифуют на круглошлифовальных станках с ЧПУ или круглошлифовальных и резьбошлифовальных станках с ручным управлением. Длинные детали шлифуют, используя люнеты. Базами служат центровые отверстия пробок. Эти центровые отверстия при изготовлении шпинделей прецизионных станков целесообразно шлифовать на центровально-шлифовальных станках с планетарными и осциллирующими движениями круга. Для шпинделей станков меньшей точности допускается замена шлифования фасок центров их притиркой специальными притирами.

Внутренние поверхности  шпинделя шлифуются на внутришлифовальных станках при установке шпинделя на опорные шейки в люнеты. Опорные  шейки с требованием к шероховатости  меньше 0,15 мкм подвергают суперфинишированию.

Высокоскоростные шпиндели проходят операцию статического или  динамического балансирования. При  динамическом балансировании неуравновешенность удаляют высверливанием металла  в заранее заданных местах детали. Балансирование производят, обычно, в сборе шпинделя со всеми вращающимися деталями. Допускаемый дисбаланс шпинделя станка 16К20 составляет 25 г/см при частоте вращения 33,3 .

Шпиндели контролируют следующим  образом: сначала контролируют погрешности  формы опорных шеек, затем размеры  и положение всех остальных поверхностей. Измерительными базами являются опорные  шейки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Цель курсового  проекта заключалась в закреплении  теоретических знаний о термической, механической обработке, а также  получении навыка в построении дерева свойств.

В ходе курсового  проекта были проанализированы способы  получения детали (шпиндель шлифовального станка), а также произведен анализ термической обработки этой же детали. После анализа были выбраны самые актуальные и экономически выгодные способ получения и обработки детали.

Для данной термической обработки было выбрано  новейшее оборудования для обработки  детали. 

Помимо всего  был проведен анализ материалов, из которых возможно изготовление детали и выбран наиболее оптимальный вариант.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Башнин, Ю. А. Технология термической обработки стали / Ю. А. Башнин, Б. К. Ушаков, А. Г. Секей. – М.: Металлургия, 1986. – 424 с.
2. Гольдштейн, М. И. Специальные стали / М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. – М.: Металлургия, 1985. – 408 с.
3. Бернштейн, М. Л. Технология термической обработки стали / М. Л. Бернштейн, Б. Е. Левина. – М.: Металлургия, 1981. – 608 с.
4. Зуев, В. М. Термическая обработка металлов / В. М. Зуев. – М.: Изд. центр Академия, 2001. – 288 с.
5. Дахно, Л. А. Термическая обработка стали: учебное пособие / Л. А. Дахно, О. А. Шарая. – Караганда.: издательство КарГТУ, 2008. – 109 с.
6. Интернет-ресурсы «http://techno.x51.ru», «http://www.metalgost.ru»