Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего образования
«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
В. П. Легаев
Проектирование и конструирование приборных систем,
блоков и узлов: учебное пособие
Учебное пособие
Владимир 2016 г.
Учебное пособие по дисциплине «Проектирование и конструирование приборных систем, блоков и узлов» предназначено для подготовки магистров в области приборостроения. В учебном пособии приведены сведения об основных этапах конструкторской работы. О структуре объектов конструирования, технической документации, рабочих чертежах, простановке размеров, надписях и технических указаниях, методике выбора материалов, средствах повышения механических свойств материалов, снижение веса машин и приборов, стандартизации, нормализации и унификации деталей приборов.
Учебное пособие позволит магистрантам в овладении ими профессии конструктора для работы в научно-исследовательских институтах и проектно-конструкторских организациях.
СОДЕРЖАНИЕ
Глава № 1. Основные этапы конструкторской работы и методики конструирования………………………………………………………4
1.1. Основные этапы конструкторской работы…………………..4
Глава № 2. Конструктивно-технологический анализ некоторых деталей и их элементов. Методика конструирования…………………8
2.1. Валы, оси, пальцы……………………………………………..8
2.2. Шестерни, зубчатые колеса…………………………………15
2.3. Крышки……………………………………………………….22
Глава № 3. Структура объектов конструирования и техническая документация……………………………………………………………30
3.1. Составные части……………………………………………...30
3.2. Виды технической документации…………………………...37
3.3. Классификация и определение величины размеров……….44
3.4. Простановка размеров на рабочих чертежах……………….45
3.5. Надписи и технические указания на чертежах……………..52
Глава № 4. Методы изготовления заготовок деталей и выбор материалов………………………………………………………………….57
4.1. Методы изготовления заготовок…………………………….57
4.2. Выбор материалов……………………………………………60
Глава № 5. Технологические требования к конструкции деталей из пластмасс……………………………………………………………..69
Глава № 6. Технологические требования, связанные с механической обработкой деталей………………………………………………..78
Глава № 7. Требования, связанные с термической обработкой деталей…………………………………………………………………...90
Глава № 8. Стандартизация, нормализация и унификация…….95
Список используемой литературы...............................................109
Глава 1:Основные этапы конструкторской работы и методики конструирования
1.1. Основные этапы конструкторской работы
Техническое задание чаще всего выполняется конструкторским отделом предприятия, на котором намечается производство нового изделия. Иногда техническое задание разрабатывается научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими учреждениями данной отрасли машиностроения либо организацией, которая будет потребителем нового изделия (заказчиком).
Техническое задание должно содержать:
данные о целевом назначении изделия и его основные параметры, которые могут характеризоваться самыми различными показателями (производительностью, мощностью, грузоподъемностью, скоростью, точностью, комфортабельностью, габаритными размерами, весом и т. д.);
специальные эксплуатационные требования, предъявляемые к изделию и обусловленные его назначением и областью применения, например, приспособленность к работе в полярных условиях или, наоборот, в странах с тропическим климатом;
экономические требования, предусматривающие экономическую эффективность изделия в эксплуатации (к. п. д., расход энергии, топлива и т. п.), а также экономическую целесообразность его производства;
социальные и эстетические требования (безопасность и удобство эксплуатации, красивые современнее архитектурные формы, приятная окраска, хорошая отделка и т. д.).
Техническое задание разрабатывают на основе тщательного анализа назначения проектируемого изделия и предполагаемых условий его работы. Этому должно предшествовать изучение существующих образцов аналогичных или близких к ним изделий по литературным сведениям и в натуре.
Необходимость создания новых изделий должна быть строго обоснована и проиллюстрирована данными, сравнивающими проектируемое изделие с подобными ему существующими изделиями.
Эскизное проектирование представляет собой предварительную «черновую» разработку общего вида изделия, его групп и основных узлов. Чертежи, разработаны на данном этапе проектирования, называют компоновками.
Компоновки общего вида изделия и его комплексных групп разрабатывают укрупненно, без детализации, однако они должны давать полное представление о принципиальном устройстве изделия или комплексной группы, о делении изделия на простые группы и основные узлы, о координации простых групп и узлов, а также о их сборочной и кинематической взаимосвязи.
Разработка рассматриваемых компоновок сопровождается выполнением соответствующих функциональных, технологических и кинематических расчетов.
Разработка технического задания и компоновок общего вида изделия и его комплексных групп относится к области проектирования.
Компоновки простых групп и основных узлов разрабатываются на основе компоновок общего вида изделия и его комплексных групп. Эта работа относится к области конструирования, представляющего собой совместную разработку конструкций всех сопряженных деталей простой группы или узла, в их сборочной и кинематической взаимосвязи.
В процессе конструирования на основе комплексного решения ряда вопросов определяются конфигурация и размеры каждой детали. Эти вопросы связаны с функционально-эксплуатационными, производственно-технологическими и технико-экономическими требованиями.
При разработке компоновок осуществляется процесс конструирования. При этом для каждой детали в первую очередь должны быть совместно решены вопросы выбора материала, метода и способа получения заготовок и назначения термической или химико-термической обработки.
После этого деталям можно придавать конструктивные формы, соответствующие их назначению и условиям работы, взаимному сопряжению, взаимной координации и выбранным методу и способу получения заготовок. Одновременно графически назначают размеры всех поверхностей и элементов деталей. Поэтому компоновки простых групп и узлов должны быть выполнены с предельной точностью.
Все стандартные и нормальные конструктивные и технологические элементы деталей нужно изображать на компоновочных чертежах согласно соответствующих ГОСТов и нормалей по указанным в них размерам.
Конструктивные компоновки выполняют в натуральную величину, так как конструирование в масштабе не дает правильного представления об истинных размерах деталей и их элементах.
Компоновки являются «черновыми» чертежами, которые не получают номеров и не входят в состав технической документации, выходящей за пределы конструкторских бюро, поэтому для упрощения и ускорения разработки компоновок простых групп и узлов допускаются и рекомендуются следующие отступления от ряда правил выполнения чертежей в машиностроении:
на компоновках следует воспроизводить во всех подробностях только одну сторону симметричных деталей (зубчатых колес, шкивов, подшипников качения и т. п.);
в случаях повторения на компоновках в нескольких местах узлов, состоящих из одних и тех же деталей (например, опорные узлы на подшипниках качения), достаточно разработать такой узел только в каком-либо одном месте, а в остальных ограничиться координацией и очертаниями контура;
вместо штриховки в разрезах и сечениях можно применять раскрашивание карандашами различных цветов;
в случае применения штриховки не обязательно заштриховывать всю площадь больших деталей, попавших в разрез или сечение;
на компоновках проставляются только те номера деталей, размеры и надписи, которые могут понадобиться для справок и увязки в процессе конструирования; при этом порядок вынесения номеров, размещения надписей и размеров — произвольный (без соблюдения правил);
компоновки могут выполняться без рамок и штампов;
невидимые контуры могут изображаться на компоновках тонкими сплошными линиями вместо пунктирных;
на компоновках допускается применение зеркальных изображений;
вместо увеличения числа проекций рекомендуется пользоваться местными вырывами, выносными и наложенными сечениями.
Расчеты на прочность, жесткость, долговечность, нагрев и т. д., если они нужны, являются неотъемлемой частью процесса конструирования. Их выполняют параллельно с вычерчиванием и разработкой компоновок. Например, для расчета вала, нагруженного поперечными силами, необходимо построение эпюры изгибающих моментов, для чего, в свою очередь, прежде всего нужно определить взаимное расположение опор вала и находящихся на нем деталей, передающих нагрузку. Следовательно, необходим чертеж, для выполнения которого нужны данные, определяемые расчетом (размеры подшипников, ширина шкивов и венцов шестерен, соответствующие размеры крышек, уплотнений и т.д.); поэтому в процессе конструирования вычерчивание и расчеты на прочность, жесткость и долговечность надо выполнять параллельно. Вначале делают предварительные ориентировочные расчеты, а окончательные результаты часто получают путем последовательного приближения. Только в отдельных случаях расчеты несколько опережают вычерчивание. На окончательной стадии может быть уточнена марка материала детали.
Техническое проектирование. На данном этапе на основе компоновки выполняют окончательно отработанные и оформленные чертежи общих видов изделий и групп, а также сборочные чертежи узлов.
Рабочее проектирование включает выполнение следующих видов технической документации: установочных чертежей; чертежей сварных конструкций; чертежей или бланков подсборок; рабочих чертежей деталей; спецификаций; технических условий; сводных ведомостей марок и сортамента применяемых материалов, стандартных и нормальных деталей, покупных деталей и т. д.; расчетно-пояснительной записки.
Конструкторскую работу на этапах технического и рабочего проектирования выполняют на основе готовых компоновок. Она не сопряжена с решением принципиальных конструкторских вопросов, расчетами, выбором материала деталей и установлением их форм в связи с технологией изготовления. Значительный удельный вес на данных этапах имеет техническая (чертежная) работа, в которой однако содержатся элементы, требующие большого опыта конструкторской работы и знания производства. К числу таких элементов можно отнести: комплектацию соответствующих деталей узлов в подсборки; составление технических требований на сборку; регулирование и контроль групп, узлов и подсборок; простановку размеров в рабочих чертежах деталей от конструкторских и технологических баз; выбор класса точности и характера сопряжений деталей — назначение допусков; предъявление требований к точности формы и положения элементов деталей; увязка размеров; указание в чертежах требований о термической и химико-термической, а также упрочняющей обработке, о чистоте обработки поверхностей и т. д.
Глава 2: КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ДЕТАЛЕЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ. МЕТОДИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ.
2.1 Валы, оси, пальцы
Валы и оси в большинстве случаев выполняются ступенчатыми, а пальцы часто также имеют ступенчатую форму.
Ступенчатые конструкции обеспечивают:
строгое базирование монтируемых деталей в осевом направлении. Каждая деталь садится на свое место с упором в заплечик, образованный последующей ступенью. Упор осуществляется либо непосредственно, либо через тело деталей, насаженных раньше;
возможность дифференциации конструктивных требований на различных участках длины вала, определяемых разными условиями его сопряжения с насаживаемыми деталями. В основном это сводится к назначению размеров в пределах определенных допусков, обеспечивающих характер и точность необходимых посадок, и к заданию той или иной чистоты обработки;
облегчение посадки деталей, насаживаемых на валы с натягом, так как сокращается путь, проходимый деталью по валу под усилием запрессовки. Каждая деталь до своей ступени свободно перемещается вдоль вала;
приближение формы вала к конфигурации бруса с постоянным сопротивлением изгибу.
В массовом и серийном производстве ступенчатые валы, оси и пальцы изготовляются из штампованных заготовок, формы и размеры которых, приближаясь к очертаниям готовых деталей, обеспечивают уменьшение объема механической обработки и отхода металла в стружку. В индивидуальном же, а также в мелко и среднесерийном производстве размеры партий не могут оправдать значительные затраты на выполнение штампов; поэтому в таких случаях указанные детали вытачивают из поковок, получаемых свободной ковкой, а также из круглого проката.
При изготовлении вала из прутка или болванки (рис. 1, а) объем его обработки и потери металла тем выше, чем больше разность диаметров его ступеней. С указанной точки зрения особенно нерациональны конструкции с буртами (рис. 1, б). Кроме этого, при увеличении разности диаметров смежных ступеней повышается местная концентрация напряжений в зонах перехода сечений. Исходя из указанных соображений при конструировании валов, осей и пальцев необходимо стремиться к минимальной разности диаметров смежных ступеней. При этом следует различать два положения: при переходе ступеней должен быть образован заплечик для упора в него насаженной детали (рис. 2, а); при переходе заплечик не нужен (рис. 2 , б и в).
Рис. 1
Для первого положения диаметр смежной большой ступени вала d2 (рис. 2, а) или диаметр буртика d6 (рис. 2, е) определяют:
d2 = d6 = d1+2(c1+k+c2),
где c1 — катет фаски в отверстии насаживаемой детали, величину которого определяют из условия размещения галтели вала; k — фактическая ширина кольцевой опорной поверхности. При наличии значительных осевых усилий величину k определяют из расчета опорной поверхности на смятие. В остальных случаях принимают k = 1,5÷2 мм; с2 — катет фаски вала.
Рис. 2
С целью уменьшения диаметра d2 величину с2 надо принимать как можно меньшей. При ее назначении могут иметь место два случая: а) в заплечик, образованный переходом ступеней вала, упирается торец вращающейся детали (рис. 2, г), тогда с2 = 1÷1,5 мм; б) в заплечик упирается деталь, закрепленная на валу (рис. 2, д и е), фаска может быть незначительной (с2 ≤ 0,5 мм), а иногда ограничиваются указанием о затуплении острых кромок (с2 = 0).
Для второго положения, когда заплечик не нужен (рис. 2, б и в),
d2 = d6 = d1+2(r+c2),
где величину радиуса r галтели и катета с2 приемной фаски назначают в соответствии с соображениями, рассмотренными раньше.
В местах посадки подшипников качения высота h заплечиков, образуемых переходом ступеней вала, регламентируется соответствующими нормалями, составленными с учетом обеспечения, с одной стороны, надежности упора внутренних колец, подшипников при действии осевой нагрузки и, с другой, — возможности захвата кольца съемником при демонтаже подшипника.
В этом случае: d2 = d6 = d1+2 h (рис. 2, ж).
При невозможности осуществления перехода ступеней, обеспечивающего необходимую высоту заплечика, применяют промежуточные упорные кольца (рис. 2, з). Величина фаски в отверстии таких колец значительно меньше, чем у соответствующих подшипников, что и дает возможность уменьшения высоты заплечиков. При этом уменьшается радиус галтели у заплечика, что допустимо для относительно легко нагруженных валов и осей. Для валов и осей, подверженных действию тяжелых нагрузок, требуется, напротив, увеличение радиусов галтелей и применение галтелей специальной формы, что возможно при: постановке промежуточных колец с фасками большими, чем у внутренних колец подшипников (см. рис. 2, и). В особо тяжелых случаях даже применение специальных галтелей иногда является недостаточным, тогда для устранения местной концентрации напряжений делают плавные переходы между ступенями, посредством пологих конических участков, а для упора вводят специальные промежуточные втулки.
Полученное значение диаметра d2 должно быть округлено до ближайшего нормального размера по ГОСТу 6636-60.
При изготовлении валов, осей и пальцев из пруткового материала, если поверхность наибольшей ступени или цилиндрическая поверхность буртика не требуют обработки и остаются «черными», диаметры их должны быть назначены соответственно сортаменту на горячекатаную круглую сталь (ГОСТ 2590-57).
При конструировании ступенчатых валов и осей, диаметры ступеней которых обычно возрастают к середине, а затем снова убывают, необходимо не упускать возможности унификации диаметров ступеней, выполняемых с одинаковым допуском. Это упрощает обработку вала и сокращает количество типоразмеров мерительных инструментов.
Для облегчения процесса сборки и обеспечения требуемого характера сопряжения ступени валов, осей и пальцев, предназначенные для посадки на них деталей с натягом, должны иметь возможно меньшую длину (рис. 3). Неправильное решение показано на рис. 4.
Концевые ступени валов под подшипники качения надо оформлять по длине, как показано на рис. 2, ж, з, и. Если же вал имеет выходной конец, то для уменьшения местной концентрации напряжений переход ступеней следует немного выводить из внутреннего кольца подшипника (см. рис. 2, б и 4).
Рис. 3
Это особенно существенно, если выходной конец вала, кроме передачи крутящего момента, нагружен еще и изгибающим моментом.
Рис. 4
При значительных осевых нагрузках ширину бурта b (рис. 2, е) определяют из расчета на срез; в остальных случаях принимают в зависимости от диаметра и по конструктивным соображениям в пределах — приблизительно 2—8 мм.
Наличие буртов, как уже было отмечено, является весьма неблагоприятным фактором с точки зрения технологичности и экономии металла; особенно при изготовлении валов, осей и пальцев из проката, поэтому, по возможности, следует вместо буртов (рис. 5, а) применять упругие стопорные кольца, вставляемые в кольцевые проточки (рис. 5, б). Однако проточки под упругие кольца ослабляют сечение детали, понижают ее прочность и создают зону резкой концентрации мес- Рис. 5
тных напряжений. В связи с этим можно рекомендовать применение колец для неответственных невращающихся осей, подверженных действию только статических нагрузок, для пальцев, и для концевых участков валов. Кроме этого, необходимо иметь в виду, что применение стопорных колец допустимо только при незначительных осевых нагрузках.
Шпонки на всех ступенях валов должны быть одинаковыми как по размерам сечения, так и по длине. Шпонки назначают по ступени наименьшего диаметра; пазы для них должны быть расположены по одной образующей вала.
Для затяжки в осевом направлении деталей, насаживаемых на цилиндрические концевые ступени валов, а также цилиндрических пальцев в базовых деталях не следует прибегать к креплениям посредством резьбовых хвостовиков. При таком способе крепления удлиняется деталь, усложняется ее обработка и требуется специальная гайка со стопорной шайбой (см. рис. 3). Значительно проще осуществляется вполне надежное торцовое крепление болтами (см. рис. 4).
В зависимости от диаметра концевой ступени вала применяют Рис. 6 один или два болта, которые контрятся пружинными шайбами, стопорными планками либо проволокой. Данный способ крепления нормализован. Если же вал или палец имеют коническую концевую ступень, то здесь для обеспечения значительного усилия затяжки вдоль оси крепление осуществляется посредством резьбового хвостовика.
Часто валы объединяют с шестернями в одну деталь (вал-шестерню). Такое объединение применяют главным образом тогда, когда не может быть обеспечена необходимая толщина тела шестерни между впадиной зуба и пазом для шпонки. Эта толщина S (рис. 6) не должна быть меньше 2m для цилиндрических и 1,8m для конических стальных шестерен.
Недостатком объединенной конструкции является необходимость изготовлять вал из того же материала, что и шестерню, часто более качественного и дорогого, чем требуется. Кроме этого, при надобности в замене шестерни вследствие поломки или износа зубьев приходится заменять и вал.
Несмотря на это, шестерню иногда выполняют заодно с валом и при значительной толщине S. Это объясняется тем, что раздельное изготовление удорожает производство благодаря увеличению числа посадочных поверхностей, требующих точной обработки, а также за счет наличия шпоночного соединения.
В зависимости от соотношения диаметров шестерни и вала зубья могут быть нарезаны на венце (рис. 7, а и б) либо частично, а иногда и полностью в теле вала (рис. 7, в и г). В первом случае, если диаметр венца значительно больше диаметра вала, то во избежание резких переходов сечений и увеличения концентрации местных напряжений переход от венца к валу следует делать ступенчатым, как показано на рис. 7, а. Непосредственный переход от венца к валу следует выполнять только при незначительном переходе диаметров (рис. 7, б).
Во втором и третьем случаях при конструировании вала нужно учитывать участки l захода и выхода фрезы, определяя их длину, исходя из ее диаметра (рис. 7, в и г).
|
