10 типов процессов прецизионной обработки валов: все, что вам нужно знать

Валы, возможно, являются одним из самых фундаментальных компонентов в машиностроении, служа основой вращения для передачи мощности, управления движением и структурной поддержки практически в каждой машине, от миниатюрных электродвигателей до массивных промышленных турбин. Функция вала — будь то приводной вал, ось, шпиндель или ротор — требует исключительной точности с точки зрения концентричности, прямолинейности, чистоты поверхности и жестких допусков по размерам. Достижение этого уровня точности требует специализированных и часто сложных процессов обработки.

Прецизионная обработка валов — это не одна операция, а интегрированная последовательность удаления металла и методов финишной обработки. В этой статье рассматриваются десять критических процессов, участвующих в производстве высокоточных валов, охватывающих жизненный цикл от подготовки сырья до окончательной обработки поверхности.

1. Точение (токарная обработка)

Точение — это основополагающий процесс практически для всех валов. При точении заготовка (заготовка вала) вращается, в то время как одноточечный режущий инструмент перемещается линейно вдоль ее оси. Эта операция используется для уменьшения диаметра, создания уступов, конусов и контурирования базовой геометрии вала.

Фокус на точности: Современные станки с ЧПУ и токарные центры обеспечивают высокую точность, часто выдерживая допуски в пределах $pm 0.0005$ дюйма ($pm 0.013 text{ мм}$). Высокоточное точение использует специальные вставки и виброгашение для обеспечения превосходной чистоты поверхности и точной точности диаметра перед последующими процессами.

2. Фрезерование (шпоночные пазы и плоскости)

В то время как точение определяет симметрию вращения вала, фрезерование используется для создания несимметричных элементов, имеющих решающее значение для передачи мощности и монтажа. Эти элементы включают шпоночные пазы (пазы для шпонок для фиксации таких компонентов, как шестерни или шкивы), шлицы (взаимосвязанные канавки для передачи высокого крутящего момента) и плоские поверхности для монтажа или применения гаечного ключа.

Фокус на точности: Фрезерные центры с ЧПУ обеспечивают идеальное выравнивание шпоночного паза или плоскости с осью вращения вала, поддерживая перпендикулярность и контролируя глубину и ширину с жесткими допусками для надежного сопряжения компонентов без биений.

3. Сверление и нарезание резьбы (перекрестные отверстия и резьбы)

Валы часто требуют перекрестных отверстий для смазки, монтажных штифтов или внутренних элементов для охлаждения или уменьшения веса. Нарезание резьбы — это процесс нарезания внутренней резьбы в этих отверстиях.

Фокус на точности: Для прецизионных валов перекрестные отверстия должны быть просверлены перпендикулярно оси и расположены точно. Нарезание резьбы должно соответствовать определенным классам резьбы (например, $3A$ или $4H$) для обеспечения надежного крепления или герметизации жидкости, часто требуя жесткого нарезания резьбы или фрезерования резьбы.

4. Шлифование (поверхностное и цилиндрическое)

Шлифование, как правило, является наиболее важным процессом для достижения окончательной геометрической точности и чистоты поверхности. В нем используется абразивный круг для удаления очень небольших количеств материала с поверхности вала.

• Цилиндрическое шлифование: Вал вращается, в то время как высокоскоростной шлифовальный круг перемещается по его поверхности, используется для финишной обработки наружного диаметра (OD) и создания исключительно точных диаметров, прямолинейности и концентричности.

• Бесцентровое шлифование: Вал поддерживается лезвием опоры и регулируется управляющим колесом, что исключает необходимость центров. Это очень эффективно для крупносерийного производства чрезвычайно прямых валов с жесткими допусками.

Фокус на точности: Шлифование может обеспечить чистоту поверхности до $0.8 text{ Ra}$ или лучше и допуски по размерам до $pm 0.0001$ дюйма ($pm 0.0025 text{ мм}$), что необходимо для подшипниковых шеек и уплотнительных поверхностей.

5. Притирка и хонингование

Это процессы суперфинишной обработки, используемые после шлифования для дальнейшего улучшения текстуры поверхности и геометрической формы критических поверхностей подшипников.

• Притирка: Использует рыхлую абразивную суспензию между валом и вращающимся притиром для достижения сверхтонкой чистоты поверхности и удаления микроцарапин, оставленных шлифованием.

• Хонингование: В основном используется для внутренних отверстий, но может применяться к определенным внешним цилиндрическим элементам для обеспечения определенного перекрестного рисунка, который жизненно важен для удержания масла на движущихся частях.

Фокус на точности: Эти методы используются, когда требования к шероховатости поверхности находятся в нанометровом диапазоне, что критично для гидравлических компонентов и высокоскоростных подшипников.

6. Балансировка

Высокоскоростные валы, такие как те, что используются в реактивных двигателях, роторах или высокоскоростных шпинделях, должны быть динамически сбалансированы. Любой небольшой дисбаланс может вызвать сильную вибрацию, преждевременный износ подшипников и разрушение конструкции.

Фокус на точности: Динамическая балансировка включает вращение готового вала на высоких скоростях и измерение вибрационных сил. Затем небольшие количества материала стратегически удаляются (или добавляются, реже), чтобы совместить центр тяжести с осью вращения, обеспечивая плавную работу на рабочих скоростях.

7. Термическая обработка

Термическая обработка — это не процесс удаления, а важный этап для изменения свойств материала для его рабочей среды. Процессы включают закалку (например, закалку и отпуск) для повышения прочности и износостойкости или отжиг для улучшения обрабатываемости.

Фокус на точности: Закалка часто вызывает небольшие изменения размеров (деформацию). Поэтому прецизионные валы обычно подвергаются черновой обработке, термической обработке, а затем чистовой обработке/шлифованию до окончательных размеров, чтобы компенсировать деформацию от нагрева. Цементация (например, науглероживание) часто используется для создания твердой износостойкой поверхности при сохранении прочной, пластичной сердцевины.

8. Твердое покрытие и гальваническое покрытие

Для повышения износостойкости, коррозионной стойкости или фрикционных свойств валы могут подвергаться процессам нанесения покрытия на поверхность.

• Твердое хромирование: Применяется для создания очень твердой, низкофрикционной и коррозионностойкой поверхности, обычно используется на штоках гидроцилиндров.

• Никелирование: Обеспечивает отличную защиту от коррозии.

• Термическое напыление (например, керамические или металлические покрытия): Используется для нанесения специализированных материалов для экстремального износа или тепловых барьеров.

Фокус на точности: Эти процессы должны строго контролироваться, поскольку толщина нанесенного слоя (которая может составлять микроны) влияет на окончательный диаметр вала. Часто требуется последующее шлифование, чтобы вернуть покрытый вал в допуск.

9. Правка

Остаточные напряжения, возникающие в процессе обработки, термической обработки или даже ковки, могут привести к деформации вала или потере его прямолинейности (биение).

Фокус на точности: Правка — это ручная или гидравлическая операция прессования, используемая для исправления незначительных ошибок биения. Это требует высокой квалификации и часто опирается на прецизионные измерительные инструменты, такие как индикаторы часового типа на V-образных блоках, чтобы свести к минимуму биение по длине вала в пределах допустимых пределов.

10. Неразрушающий контроль (НК) и инспекция

Хотя это и не процесс обработки, окончательная проверка имеет решающее значение для обеспечения соответствия вала всем требованиям точности и отсутствия внутренних дефектов. Методы включают:

• Магнитопорошковый контроль (МПК): Для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин, особенно на ферромагнитных валах.

• Ультразвуковой контроль (УЗК): Для обнаружения внутренних дефектов, пустот или включений в структуре материала.

• Координатно-измерительная машина (КИМ): Используется для проверки сложной геометрии, расположения отверстий и допусков по размерам с высокой точностью.

Фокус на точности: Кульминацией точности является способность точно измерять и доказывать качество. Процессы контроля подтверждают, что окончательная форма, посадка и функция вала соответствуют жестко определенным инженерным спецификациям.