6.1. Особенности конструкций валов и требования к их точности

Валы механических передач машин работают в условиях высо­ких нагрузок и частот вращения, что обусловливает повышен­ные требования к их конструкциям. Применяются валы гладкие и ступенчатые, сплошные и полые. Наибольшее распространение получили ступенчатые валы.

Валы считаются жесткими, если отношение длины к диа­метру не превышает 10, и нежесткими, если это отношение больше, т.е. ℓ/d<10 — жесткие, ℓ/d>10 — нежесткие. Нежест­кие валы необходимо обрабатывать (точить, шлифовать и т.д.) с применением люнетов.

Наиболее трудоемкими в изготовлении являются ступенча­тые валы, имеющие шейки под подшипники и зубчатые колеса, шпоночные канавки, шлицевые, резьбовые поверхности. Из сооб­ражений экономичности изготовления следует считать наиболее технологичными валы, конструкция которых предусматривает возрастание диаметров ступеней к середине или одному из кон­цов вала.

В группу «валы» в машиностроении входят также оси, кольца, цапфы и другие детали, которые образуются в основном наруж­ной поверхностью вращения (цилиндрической, а иногда кони­ческой) и несколькими торцовыми поверхностями (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Детали класса валов

К валам предъявляются высокие требования по точности размеров, геометрической форме и взаимному расположению отдельных поверхностей.

Состояние валов после обработки харак­теризуется следующими параметрами:

точностью рабочих (квалитеты 6...8) и нерабочих (квалитеты 9,10) шеек;

допуском формы шеек (рабочих — 0,01...0,02 мм, нерабо­чих — 0,02...0,04 мм);

допуском биения рабочих шеек в заданном направлении от­носительно друг друга (0,02...0,04 мм);

допуском биения в заданном направлении рабочих и нера­бочих шеек (0,02...0,30 мм);

допуском торцового биения (0,02...0,04 мм);

неравномерностью шага шлицев и допустимым смещением шлицев относительно оси (не более 0,02...0,03 мм);

шероховатостью поверхности посадочных шеек Ra = 1,25...0,40 мкм, нерабочих поверхностей Ra = 1,25...6,30 мкм.

Некоторые валы должны быть статически и динамически сбалансированы. Дисбаланс валов не должен превышать 30...70 г·мм.

Для изготовления валов в машиностроении широко используется конструкционная углеродистая сталь Ст3, Ст5. Валы для ответственных конструкций изготавливаются из качественных углеродистых сталей марок 25, 30, 40, 45, 50 и легированных хромистых сталей 15Х, 25Х, 35Х, 40Х, 45Х, а также 18ХГТ.

Валы из среднеуглеродистых сталей подвергают термообработке до твердости 230...260 НВ, реже посадочные поверхности подвергают закалке токами высокой частоты до твердости 45...50 HRC. Шейки валов из низкоуглеродистых сталей для повышения износостойкости подвергают цементации на глубину 0,8...1,2 мм с последующей термообработкой до твердости 54...60 HRC.

Выбор рационального способа изготовления заготовок для валов определяется их себестоимостью и последующей механической обработкой. В единичном и мелкосерийном производстве заготовки получают из горячекатаного, реже калиброванного проката путем резки последнего и последующей механической обработки. Заготовки из проката применяются при изготовле­нии не только гладких валов, но и ступенчатых с небольшим числом ступеней и незначительными перепадами их диаметров. Эти заготовки используются и в крупносерийном производстве.

В массовом производстве, а также при изготовлении валов сложной формы, имеющих большое число ступеней, значительно различающихся по диаметру, наиболее экономичными являются такие способы изготовления заготовок, которые позволяют получать их приближающимися по форме, размерам и массе к готовой детали.

Прогрессивные способы изготовления заготовок валов — штамповка в закрытых штампах, высадка на горизонтально-ковочных машинах, горячее выдавливание, поперечно-винтовая прокатка, объемная холодная штамповка, радиальная ковка, электровысадка. Эти способы позволяют получать коэффициент использования материала 0,7 и выше. Применение поперечно-клиновой прокатки при изготовлении валов обеспечивает повышение коэффициента использования материала до 0,9, а высокая точность процесса — уменьшение припуска на механическую обработку до 1,0...1,5 мм.

Типовой технологический процесс изготовления заготовок валов состоит из сле­дующих операций:

- разрезка горячекатаного прутка на мерные заготовки;

- нагрев заготовок;

- формообразование;

- термическая обработка после формообразования;

- правка на прессах.

Заготовки разрезают на прессах или ножницах. Нагрев заготовок проводят в электроиндукционных установках.

После пластического деформирования для снятия внутренних напряжений проводят термическую обработку заготовок валов. Способ термообработки обусловливается материалом заготовки. Для низкоуглеродистых сталей рекомендуется нормализация, для сталей марки 35Х — отжиг, для сталей марок 45, 40Х — улучшение.

Заготовки чугунных валов изготавливают литьем. Литье в оболочковые формы позволяет получать заготовки валов высокой точности, исключать токарные операции и ограничиваться только шлифованием.