Основы проектирования продукции

Введение

Современная жизнь и производственная деятельность людей характеризуется использованием большого числа машин, механизмов и приспособлений, облегчающих деятельность человека, повышающих его работоспособность и производительность и снижающих временные, трудовые и материальные затраты, необходимые для совершения тех или иных действий.
Учитывая широкую функциональность, в своей деятельности человек использует большую номенклатуру машин, механизмов и приспособлений, позволяющих механически, физически и т. д. воздействовать на окружающую среду, обеспечивая себе необходимые условия для жизнедеятельности. Это приводит к необходимости создания машин, состоящих из большого числа элементов – деталей, каждая из которых имеет свою форму, строго определенные размеры, прочность и износостойкость.
1. Анализ чертежа детали
1.1. Назначение детали

Представленная в качестве задания на курсовое проектирование деталь «Фланец» является типовой осесимметричной деталью малых габаритов и веса. Подобные детали предназначены для создания уплотнения в подвижных соединениях, в нашем случае - при выходе вала из корпуса какого-нибудь сборочного узла. Фланец с уплотнением одевается на вал и крепится к корпусу. Внутренняя канавка предназначена под установку сальникового кольца. Размеры войлочного сальникового кольца: d=79 мм, D=98 мм, b=7 мм. Сальниковые уплотнения не применяются в особо ответственных конструкциях, в условиях повышенной загрязненности среды, при температуре выше 90° и при избыточном давлении с одной стороны.


1.2. Технологичность детали (точность размеров, величина шероховатости поверхностей, технические условия)

Ориентируясь на точностьс которой должны быть сформированы отдельные поверхности детали, можно утверждать, что представленная деталь является легкой в обработке. Наличие открытых цилиндрических поверхностей позволяет использовать при ее изготовлении достаточно простые токарные переходы типа: подрезания торца, точения цилиндрических поверхностей, сверления и растачивания отверстий и т. п. Данные переходы возможно производить на токарном оборудовании средней точности и использовать операторов средней квалификации.


2. Обоснование выбора материала с указанием ГОСТа и его механических свойств

Учитывая малые габариты детали, повышение прочности и износостойкости рабочих поверхностей может произведено за счет подбора соответствующего материала при изготовлении.
Так для изготовления детали конструктором было предусмотрено использование широко применяемой конструкционной стали 20 ГОСТ1050–2013. Согласно ГОСТ 1050-2013 данная сталь содержит углерода 0,17-0,24%, твердост не более НВ163. Плотность массы таких сталей достаточно высока и составляет  = 7,86 кН/м3. Однако малые габариты позволяют иметь общую массу не более 2,8 кг, что из-за низкой себестоимости стали делает ее применение рациональным. Физико-механические характеристики таких сталей достаточно высоки. Так в незакаленном состоянии временное сопротивление на разрыв достигает σ_в=410 МПа, а предел текучести σ_в=245 МПа, с учетом коэффициента запаса прочности kЗ = 1.5 это обеспечивает допускаемые напряжения на растяжение Р = 163 МПа.

3. Разработка технологического процесса
3.1. Составление маршрутной технологии

В качестве заготовки для изготовления фланца была принята горячая штамповка стали 20 ГОСТ 1050-2013. Так как основные поверхности, образующие деталь являются цилиндрическими основная ее обработка будет вестись на токарных станках Учитывая то, что окончательный размер детали в осевом направлении составляет 20 мм, с учетом припуска на обе стороны размер заготовки составляет после штамповки 〖23,5〗_(-0,5)^(+1,1). Таким образом, первой операцией процесса изготовления будет 11:
1. Токарная.
При токарной обработке дисковых заготовок на первом переходе рекомендуется производить подрезание торца. Учитывая заданную шероховатость одной поверхности R_а=12,5 мкм, а второй R_а=2,5 мкм, принятые припуски на сторону будут различаться, так как один торец обрабатываем однократно, а второй за два перехода: назначаем припуск на левую сторону 1,6 мм. Общий припуск:

3.2. Выбор металлорежущего оборудования

Согласно принятых размеров заготовки 15050 мм ее обработку наиболее рационально производить на станках 1 или 2-ого габаритов. Оборудование должно соответствовать выполняемым операциям (см. табл. 32) 18.

Станок применяется в серийном и крупносерийном производстве на предприятиях машиностроения, точного машиностроения, приборостроения, централизованного ремонта техники и выпуска запчастей, специализированных инструментальных производств.
Технические характеристики:
Наибольший диаметр обрабатываемого изделия, мм:
– над станиной 400
– над суппортом 215
Наибольшая длина обрабатываемого изделия, мм 710; 1000;
1400; 2000
Частота вращения шпинделя, об/мин 12,5—1600
Подача, мм/об:
– продольная 0,05—2,8
– поперечная 0,025—1,4
Шаг нарезаемой резьбы:
– метрической, мм 0,5—112
– модульной, модуль 0,5—112
– дюймовой, число ниток на 1" 56—0,5
Скорость быстрого перемещения суппорта, м/мин:
– продольного 3,8
– поперечного 1,9
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 11
Габарит станка (без насосной установки), мм: 2795х1190х1500
Масса станка, кг 3010


3.3. Выбор металлорежущего инструмента

Конструкция используемого при механической обработке металлорежущего инструмента должна соответствовать как выполняемому переходу, так и используемому оборудованию.
На токарной операции используются сборные резцы с пластинками из твердого сплава Т15К6, размером 2525140 мм. По видам выполняемых на операциях 1 и 2 переходах рекомендуются резцы следующих типов:
– операция 1 и 2: подрезание торца – резец подрезной, упорный со сменной многогранной пластинкой (СМП) из твердого сплава Т15К6 (рис.3.3).

3.4. Выбор комплекта мерительного инструмента для обеспечения технологического процесса и расчет размеров скобы или пробки


Анализ конструкции детали показывает, что большинство размеров должны быть выполнены по 14 квалитету точности. Для их контроля достаточно использование штангенциркуля любого класса точности с диапазоном размеров 0…125 мм и 0…250 мм 30.

Штангенциркуль (от нем. Stangenzirkel) – универсальный инструмент, предназначенный для высокоточных измерений наружных и внутренних размеров, а также глубин отверстий. Штангенциркуль, как и другие штангенинструменты (штангенрейсмас, штангенглубиномер), имеет измерительную штангу (отсюда и название этой группы) с основной шкалой и нониус — вспомогательную шкалу для отсчёта долей делений. Точность его измерения — десятые/сотые (у разных видов) доли миллиметра.
На примере штангенциркуля ШЦ-I:
1. штанга;
2. подвижная рамка;
3. шкала штанги
4. губки для внутренних измерений;
5. губки для наружных измерений;
6. линейка глубиномера;
7. нониус;
8. винт для зажима рамки.



3.6. Расчет припуска на механическую обработку одной поверхности

Согласно технологического процесса, поверхность ∅180〖Н10〗^((+0,16)) обрабатывается начерно с параметрами: точность – h14(-1), шероховатость R_а=12,5 мкм; и начисто с параметрами: точность – Н10(+0,16) шероховатость R_а=12,5 мкм.
Для обеспечения гарантированного слоя металла под обработку с учетом: высоты микронеровностей, глубины дефектного слоя, нижнее отклонение допуска, смещения обрабатываемой поверхности относительно базовой, коробления обрабатываемой поверхности, а также погрешности установки (погрешность базирования, установки, закрепления, погрешности зажимного приспособления), согласно [15, табл. 8.2] рекомендуется:
– припуск на черновую обработку ZЧЕРН = 2,8 мм;
– на чистовую обработку ZЧИСТ = 0,3 мм.
Суммарный припуск составит:
Z = ZЧЕРН + ZЧИСТ = (2,8 + 0,3) ∙ 2 = 6,2 мм.
Минимальный размер первичной заготовки должен быть не меньше
DЗАГ = N + Z = 180 + 6,2 = 186,2 мм.
При проектировании заготовки наружный диаметр составил ∅〖190〗_(-1,0)^(+1,8) мм.


3.7. Расчет режимов резания на одну операцию

Режимы резания будут рассчитаны для обработки для обработки поверхности ∅180〖Н10〗^((+0,16)) мм.
Черновое точение с ∅〖190〗_(-1,0)^(+1,8) до ∅〖182〗_(-1,0) в два прохода.
Глубина резания (величина припуска на сторону для одного прохода)
t=(D-d)/2i=(190-182)/(2⋅2)=2" мм" .
Для черновой обработки стали рекомендуется подача на оборот s=0,8-1,3мм/об [3, табл.11]. Однако, учитывая малую жесткость заготовки и оправки, а также значительный наружный диаметр, подлежащий обработке, для снижения силы резания следует понизить подачу в 2 раза – s=0,4 мм/об. Станок 16К20 имеет в переборе подач такое значение.
Скорость резания определяется по зависимости
v_Р=v_ТАБЛ∙K_1∙K_2∙K_3," м/мин"
где vТАБЛ – рекомендуемое значение скорости резания = 180 м/мин [18, табл.41];
K1 – коэффициент, учитывающий механические свойства заготовки = 1,65 [18, табл.43];
K2 – коэффициент, учитывающий состояние поверхности обрабатываемой заготовки = 0,8 (с коркой) [18, табл.43];
K3 – коэффициент, учитывающий величину главного угла в плане  = 60° [18, табл.43] = 0,92;
v_Р=180∙1,65∙0,8∙0,92=218" м/мин"
Число оборотов станка определится как:
n=1000v/πD=(1000⋅218)/(3,14⋅190)=365об/мин.
По набору чисел оборотов, реализуемых на станке, принимаем n = 315 об/мин.
Фактическая скорость резания
V=(π∙D∙n)/1000=(3.14∙190∙315)/1000=188" м/мин" .
Для чистовой обработки подача на оборот выбирается в зависимости от шероховатости поверхности минимальной по перебору станка s = 0,15 мм/об, vтабл = 256 м/мин [18, табл.49]). Остальные коэффициенты остаются такими ж, кроме K2 – коэффициент, учитывающий состояние поверхности обрабатываемой заготовки = 1,0 (без корки) [18, табл.43];
.
v_Р=256∙1,65∙1,0∙0,92=388" м/мин"
n=1000v/πD=(1000⋅388)/(3,14⋅180)=686об/мин.
По набору чисел оборотов, реализуемых на станке, принимаем n = 630 об/мин.
Фактическая скорость резания:
V=πDn/1000=(3,14∙180∙630)/1000=356" м/мин" .

3.8. Расчет силы резания на одну операцию

Сила резания для чернового обтачивания наружного диаметра ∅190 мм определяется как:
P_z=K_1⋅t^m⋅s^n⋅C_p," H,"
где Рz – тангенциальная или вертикальная составляющая сила резания, Н;
K1 – удельная сила резания, К1 = 250 Н [18, табл.35];
t – глубина резания, мм;
s – подача, мм/об;
Ср – коэффициент перевода кгс в Н (Ср =10);
m и n – показатели степени зависящие от обрабатываемого материала и материала резца [18, табл.35];
P_z=250⋅2^1⋅〖0,4〗^0,75⋅10=" 2515 H."

Сила резания для чистового обтачивания наружного диаметра ∅180 мм
P_z=250⋅〖0,9〗^1⋅〖0,15〗^0,75⋅10=" 543 H."



3.9. Расчет крутящего момента (МКР) на одну операцию и определение мощности электропривода станка

Для определения мощности двигателя на операции чернового точения предварительно необходимо рассчитать крутящий момент М_КР
М_"КР" =P_z D/2⋅10^(-3)=2515∙190/2⋅10^(-3)=239 Н∙м
Мощность резания рассчитывается по формуле:
N=(P_Z∙v)/(6120∙η)
где  – КПД механизмов станка, для токарных станков  = 0,7…0,8. Откуда:
N=(2515∙188)/(61200∙0,75)=10,3 кВт
Мощность резания не превышает мощность станка МСТ = 11 кВт.
Остальные режимы определяются по рекомендациям [18, табл.35].
Введение

Современная жизнь и производственная деятельность людей характеризуется использованием большого числа машин, механизмов и приспособлений, облегчающих деятельность человека, повышающих его работоспособность и производительность и снижающих временные, трудовые и материальные затраты, необходимые для совершения тех или иных действий.
Учитывая широкую функциональность, в своей деятельности человек использует большую номенклатуру машин, механизмов и приспособлений, позволяющих механически, физически и т. д. воздействовать на окружающую среду, обеспечивая себе необходимые условия для жизнедеятельности. Это приводит к необходимости создания машин, состоящих из большого числа элементов – деталей, каждая из которых имеет свою форму, строго определенные размеры, прочность и износостойкость.
1. Анализ чертежа детали
1.1. Назначение детали

Представленная в качестве задания на курсовое проектирование деталь «Фланец» является типовой осесимметричной деталью малых габаритов и веса. Подобные детали предназначены для создания уплотнения в подвижных соединениях, в нашем случае - при выходе вала из корпуса какого-нибудь сборочного узла. Фланец с уплотнением одевается на вал и крепится к корпусу. Внутренняя канавка предназначена под установку сальникового кольца. Размеры войлочного сальникового кольца: d=79 мм, D=98 мм, b=7 мм. Сальниковые уплотнения не применяются в особо ответственных конструкциях, в условиях повышенной загрязненности среды, при температуре выше 90° и при избыточном давлении с одной стороны.


1.2. Технологичность детали (точность размеров, величина шероховатости поверхностей, технические условия)

Ориентируясь на точностьс которой должны быть сформированы отдельные поверхности детали, можно утверждать, что представленная деталь является легкой в обработке. Наличие открытых цилиндрических поверхностей позволяет использовать при ее изготовлении достаточно простые токарные переходы типа: подрезания торца, точения цилиндрических поверхностей, сверления и растачивания отверстий и т. п. Данные переходы возможно производить на токарном оборудовании средней точности и использовать операторов средней квалификации.


2. Обоснование выбора материала с указанием ГОСТа и его механических свойств

Учитывая малые габариты детали, повышение прочности и износостойкости рабочих поверхностей может произведено за счет подбора соответствующего материала при изготовлении.
Так для изготовления детали конструктором было предусмотрено использование широко применяемой конструкционной стали 20 ГОСТ1050–2013. Согласно ГОСТ 1050-2013 данная сталь содержит углерода 0,17-0,24%, твердост не более НВ163. Плотность массы таких сталей достаточно высока и составляет  = 7,86 кН/м3. Однако малые габариты позволяют иметь общую массу не более 2,8 кг, что из-за низкой себестоимости стали делает ее применение рациональным. Физико-механические характеристики таких сталей достаточно высоки. Так в незакаленном состоянии временное сопротивление на разрыв достигает σ_в=410 МПа, а предел текучести σ_в=245 МПа, с учетом коэффициента запаса прочности kЗ = 1.5 это обеспечивает допускаемые напряжения на растяжение Р = 163 МПа.

3. Разработка технологического процесса
3.1. Составление маршрутной технологии

В качестве заготовки для изготовления фланца была принята горячая штамповка стали 20 ГОСТ 1050-2013. Так как основные поверхности, образующие деталь являются цилиндрическими основная ее обработка будет вестись на токарных станках Учитывая то, что окончательный размер детали в осевом направлении составляет 20 мм, с учетом припуска на обе стороны размер заготовки составляет после штамповки 〖23,5〗_(-0,5)^(+1,1). Таким образом, первой операцией процесса изготовления будет 11:
1. Токарная.
При токарной обработке дисковых заготовок на первом переходе рекомендуется производить подрезание торца. Учитывая заданную шероховатость одной поверхности R_а=12,5 мкм, а второй R_а=2,5 мкм, принятые припуски на сторону будут различаться, так как один торец обрабатываем однократно, а второй за два перехода: назначаем припуск на левую сторону 1,6 мм. Общий припуск:

3.2. Выбор металлорежущего оборудования

Согласно принятых размеров заготовки 15050 мм ее обработку наиболее рационально производить на станках 1 или 2-ого габаритов. Оборудование должно соответствовать выполняемым операциям (см. табл. 32) 18.

Станок применяется в серийном и крупносерийном производстве на предприятиях машиностроения, точного машиностроения, приборостроения, централизованного ремонта техники и выпуска запчастей, специализированных инструментальных производств.
Технические характеристики:
Наибольший диаметр обрабатываемого изделия, мм:
– над станиной 400
– над суппортом 215
Наибольшая длина обрабатываемого изделия, мм 710; 1000;
1400; 2000
Частота вращения шпинделя, об/мин 12,5—1600
Подача, мм/об:
– продольная 0,05—2,8
– поперечная 0,025—1,4
Шаг нарезаемой резьбы:
– метрической, мм 0,5—112
– модульной, модуль 0,5—112
– дюймовой, число ниток на 1" 56—0,5
Скорость быстрого перемещения суппорта, м/мин:
– продольного 3,8
– поперечного 1,9
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 11
Габарит станка (без насосной установки), мм: 2795х1190х1500
Масса станка, кг 3010


3.3. Выбор металлорежущего инструмента

Конструкция используемого при механической обработке металлорежущего инструмента должна соответствовать как выполняемому переходу, так и используемому оборудованию.
На токарной операции используются сборные резцы с пластинками из твердого сплава Т15К6, размером 2525140 мм. По видам выполняемых на операциях 1 и 2 переходах рекомендуются резцы следующих типов:
– операция 1 и 2: подрезание торца – резец подрезной, упорный со сменной многогранной пластинкой (СМП) из твердого сплава Т15К6 (рис.3.3).

3.4. Выбор комплекта мерительного инструмента для обеспечения технологического процесса и расчет размеров скобы или пробки


Анализ конструкции детали показывает, что большинство размеров должны быть выполнены по 14 квалитету точности. Для их контроля достаточно использование штангенциркуля любого класса точности с диапазоном размеров 0…125 мм и 0…250 мм 30.

Штангенциркуль (от нем. Stangenzirkel) – универсальный инструмент, предназначенный для высокоточных измерений наружных и внутренних размеров, а также глубин отверстий. Штангенциркуль, как и другие штангенинструменты (штангенрейсмас, штангенглубиномер), имеет измерительную штангу (отсюда и название этой группы) с основной шкалой и нониус — вспомогательную шкалу для отсчёта долей делений. Точность его измерения — десятые/сотые (у разных видов) доли миллиметра.
На примере штангенциркуля ШЦ-I:
1. штанга;
2. подвижная рамка;
3. шкала штанги
4. губки для внутренних измерений;
5. губки для наружных измерений;
6. линейка глубиномера;
7. нониус;
8. винт для зажима рамки.



3.6. Расчет припуска на механическую обработку одной поверхности

Согласно технологического процесса, поверхность ∅180〖Н10〗^((+0,16)) обрабатывается начерно с параметрами: точность – h14(-1), шероховатость R_а=12,5 мкм; и начисто с параметрами: точность – Н10(+0,16) шероховатость R_а=12,5 мкм.
Для обеспечения гарантированного слоя металла под обработку с учетом: высоты микронеровностей, глубины дефектного слоя, нижнее отклонение допуска, смещения обрабатываемой поверхности относительно базовой, коробления обрабатываемой поверхности, а также погрешности установки (погрешность базирования, установки, закрепления, погрешности зажимного приспособления), согласно [15, табл. 8.2] рекомендуется:
– припуск на черновую обработку ZЧЕРН = 2,8 мм;
– на чистовую обработку ZЧИСТ = 0,3 мм.
Суммарный припуск составит:
Z = ZЧЕРН + ZЧИСТ = (2,8 + 0,3) ∙ 2 = 6,2 мм.
Минимальный размер первичной заготовки должен быть не меньше
DЗАГ = N + Z = 180 + 6,2 = 186,2 мм.
При проектировании заготовки наружный диаметр составил ∅〖190〗_(-1,0)^(+1,8) мм.


3.7. Расчет режимов резания на одну операцию

Режимы резания будут рассчитаны для обработки для обработки поверхности ∅180〖Н10〗^((+0,16)) мм.
Черновое точение с ∅〖190〗_(-1,0)^(+1,8) до ∅〖182〗_(-1,0) в два прохода.
Глубина резания (величина припуска на сторону для одного прохода)
t=(D-d)/2i=(190-182)/(2⋅2)=2" мм" .
Для черновой обработки стали рекомендуется подача на оборот s=0,8-1,3мм/об [3, табл.11]. Однако, учитывая малую жесткость заготовки и оправки, а также значительный наружный диаметр, подлежащий обработке, для снижения силы резания следует понизить подачу в 2 раза – s=0,4 мм/об. Станок 16К20 имеет в переборе подач такое значение.
Скорость резания определяется по зависимости
v_Р=v_ТАБЛ∙K_1∙K_2∙K_3," м/мин"
где vТАБЛ – рекомендуемое значение скорости резания = 180 м/мин [18, табл.41];
K1 – коэффициент, учитывающий механические свойства заготовки = 1,65 [18, табл.43];
K2 – коэффициент, учитывающий состояние поверхности обрабатываемой заготовки = 0,8 (с коркой) [18, табл.43];
K3 – коэффициент, учитывающий величину главного угла в плане  = 60° [18, табл.43] = 0,92;
v_Р=180∙1,65∙0,8∙0,92=218" м/мин"
Число оборотов станка определится как:
n=1000v/πD=(1000⋅218)/(3,14⋅190)=365об/мин.
По набору чисел оборотов, реализуемых на станке, принимаем n = 315 об/мин.
Фактическая скорость резания
V=(π∙D∙n)/1000=(3.14∙190∙315)/1000=188" м/мин" .
Для чистовой обработки подача на оборот выбирается в зависимости от шероховатости поверхности минимальной по перебору станка s = 0,15 мм/об, vтабл = 256 м/мин [18, табл.49]). Остальные коэффициенты остаются такими ж, кроме K2 – коэффициент, учитывающий состояние поверхности обрабатываемой заготовки = 1,0 (без корки) [18, табл.43];
.
v_Р=256∙1,65∙1,0∙0,92=388" м/мин"
n=1000v/πD=(1000⋅388)/(3,14⋅180)=686об/мин.
По набору чисел оборотов, реализуемых на станке, принимаем n = 630 об/мин.
Фактическая скорость резания:
V=πDn/1000=(3,14∙180∙630)/1000=356" м/мин" .

3.8. Расчет силы резания на одну операцию

Сила резания для чернового обтачивания наружного диаметра ∅190 мм определяется как:
P_z=K_1⋅t^m⋅s^n⋅C_p," H,"
где Рz – тангенциальная или вертикальная составляющая сила резания, Н;
K1 – удельная сила резания, К1 = 250 Н [18, табл.35];
t – глубина резания, мм;
s – подача, мм/об;
Ср – коэффициент перевода кгс в Н (Ср =10);
m и n – показатели степени зависящие от обрабатываемого материала и материала резца [18, табл.35];
P_z=250⋅2^1⋅〖0,4〗^0,75⋅10=" 2515 H."

Сила резания для чистового обтачивания наружного диаметра ∅180 мм
P_z=250⋅〖0,9〗^1⋅〖0,15〗^0,75⋅10=" 543 H."



3.9. Расчет крутящего момента (МКР) на одну операцию и определение мощности электропривода станка

Для определения мощности двигателя на операции чернового точения предварительно необходимо рассчитать крутящий момент М_КР
М_"КР" =P_z D/2⋅10^(-3)=2515∙190/2⋅10^(-3)=239 Н∙м
Мощность резания рассчитывается по формуле:
N=(P_Z∙v)/(6120∙η)
где  – КПД механизмов станка, для токарных станков  = 0,7…0,8. Откуда:
N=(2515∙188)/(61200∙0,75)=10,3 кВт
Мощность резания не превышает мощность станка МСТ = 11 кВт.
Остальные режимы определяются по рекомендациям [18, табл.35].