Proces technologiczny wałka i tulei – krok po kroku, dobór materiału, operacje, tolerancje

Pytanie

Jak przygotować proces technologiczny wałka i tulei krok po kroku

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Opracowanie procesu technologicznego wałka i tulei wykonuje się sekwencyjnie: od analizy rysunku, przez dobór materiału i półfabrykatu, plan operacji (zgrubne → kształtujące → wykańczające → ewentualna obróbka cieplna → końcowe szlifowanie/honowanie), dobór mocowań i narzędzi, aż po plan kontroli jakości i dokumentację.
• Kluczowe punkty:
  • Zdefiniuj bazy technologiczne i powierzchnie krytyczne.
  • Zaprojektuj naddatki i kolejność operacji pod sztywność detalu.
  • Uwzględnij wpływ obróbki cieplnej na odkształcenia i pozostaw naddatki do szlifowania/honowania.
  • Zaplanuj pomiary międzyoperacyjne i końcowe.

Szczegółowa analiza problemu

• Założenia (dla przykładu):
  • Wałek: stal C45 lub 42CrMo4, L ≤ 200 mm, średnice stopniowane, rowek wpustowy, dokładność do IT6–IT7, Ra 0,4–1,6 µm na łożyskowaniu.
  • Tuleja: stal automatowa 11SMn30 lub brąz CuSn8, otwór osiowy H7, zewnętrzna f7, Ra 0,8–1,6 µm.

1. Analiza rysunku i funkcji

• Zidentyfikuj: wymiary nominalne i tolerancje (np. Ø30h6; Ø50H7), tolerancje kształtu (okrągłość, współosiowość), wymagania chropowatości, twardość po cieplnej, powierzchnie współpracujące (pasowanie, np. H7/g6 – przesuwne; H7/p6 – wcisk).
• Ustal bazy: dla wałka – nakiełki/stożki czołowe jako baza główna (obróbka na kłach), dla tulei – baza zewnętrzna przy obróbce otworu i odwrotnie.

2. Dobór materiału i półfabrykatu

• Wałek: pręt walcowany/ciągniony (lepsza prostoliniowość), naddatek na Ø zewn. 1,0–2,0 mm (radialnie 0,5–1,0 mm) + 1–2 mm na planowanie czoła.
• Tuleja:
  • Z rury bezszwowej: minimalne straty materiału; sprawdź bicie/owalność.
  • Z pręta pełnego: wiercenie + wytaczanie; naddatek na otwór 0,5–1,5 mm na stronę do wytaczania i 0,1–0,3 mm do rozwiercania/honowania.

3. Plan operacji – wałek (wariant klasyczny)

• Operacja 10: Cięcie na długość na pile taśmowej (L nominalna + 3–5 mm), gratowanie, znakowanie partii.
• Operacja 20: Prostowanie (jeśli L/D > 5 lub widoczne bicie).
• Operacja 30: Nakiełkowanie obu czoł (wiertło centrowe 60°), planowanie jednego czoła.
• Operacja 40: Toczenie zgrubne na kłach (podtrzymka obrotowa przy L/D > 8); pozostaw naddatek 0,3–0,6 mm na Ø pod szlifowanie, na odcinkach nie szlifowanych 0,1–0,3 mm pod toczenie wykańczające.
  • Parametry orientacyjne C45 (węglik): Vc 140–200 m/min, f 0,25–0,45 mm/obr, ap 1,5–3,0 mm.
• Operacja 50: Toczenie kształtujące (stożki, podcięcia łoża łożysk, promienie przejściowe).
• Operacja 60: Wykonanie rowka wpustowego (frezowanie tarczowe/wykańczanie przeciągaczem), gwintów (toczenie/gwintowniki).
• Operacja 70: Obróbka cieplna (jeśli wymagana): np. hartowanie/odpuszczanie lub nawęglanie/odpuszczanie. Zostaw przed cieplną dodatkowe naddatki: 0,1–0,2 mm na stronę do szlifowania po cieplnej (lub więcej dla nawęglania, 0,2–0,4 mm).
• Operacja 80: Prostowanie po cieplnej (jeśli bicie > tolerancja).
• Operacja 90: Szlifowanie cylindryczne na kłach powierzchni łożyskowych do IT6–IT7, Ra 0,2–0,8 µm.
• Operacja 100: Kontrola końcowa: mikrometry Ø, czujnik do bicia (TIR), sprawdzenie wpustu (płytki wzorcowe), chropowatościomierz.

4. Plan operacji – tuleja (wariant z rury bezszwowej)

• Operacja 10: Cięcie na długość, gratowanie, oznaczenie.
• Operacja 20: Toczenie czoła (ustalenie bazy), planowanie drugiego czoła po przestawieniu.
• Operacja 30: Toczenie zewnętrzne zgrubne (uchwyt 3-szczękowy; jeśli cienkościenna – tuleja zaciskowa/mandrel rozpierny), pozostaw naddatek 0,2–0,4 mm na Ø zewn.
• Operacja 40: Wyrównanie i wytaczanie/roztaczanie otworu zgrubne (oparcie o bazę zewnętrzną); naddatek 0,15–0,25 mm na rozwiercanie H7 lub 0,02–0,05 mm na honowanie precyzyjne.
  • Parametry orientacyjne C45 (węglik): Vc 120–180 m/min, f 0,15–0,30 mm/obr przy roztaczaniu; rozwiercanie HSS Vc 20–40 m/min, f 0,1–0,2 mm/obr.
• Operacja 50: Obróbka cieplna (opcjonalnie: azotowanie, indukcja na powierzchni zewn./wewn.) – zostaw naddatki jak wyżej.
• Operacja 60: Rozwiercanie wykańczające do H7 lub honowanie (Ra 0,2–0,8 µm, prostość i walcowość ≤ 0,01–0,02 mm/100 mm).
• Operacja 70: Toczenie wykańczające/szlifowanie Ø zewn. do f7, sfazowania, odciążenia krawędzi.
• Operacja 80: Kontrola końcowa: pierścienie sprawdzianowe H7 (go/no-go), mikrometr zewn., pomiar współosiowości otworu do Ø zewn. na pryzmach/czujnikiem.

5. Datowanie/bazowanie i mocowanie

• Wałek: preferuj obróbkę „na kłach” dla współosiowości powierzchni łożysk; rowek wpustowy po ustaleniu na rowku referencyjnym (kąt).
• Tuleja: ustalanie najpierw na Ø zewn., potem dokładny otwór w oparciu o bazę zewn. lub odwrotnie – zależnie od funkcji (który wymiar jest krytyczny względem którego).

6. Naddatki i klasy dokładności (orientacyjne)

• Toczenie zgrubne: IT10–IT12; naddatek do wykańczania 0,2–0,6 mm/strona.
• Toczenie wykańczające: IT8–IT9; Ra 1,6–3,2 µm.
• Szlifowanie cyl.: IT6–IT7; Ra 0,2–0,8 µm.
• Rozwiercanie: IT7–IT8; Ra 0,8–3,2 µm.
• Honowanie: IT6–IT7; Ra 0,1–0,4 µm.

7. Dobór narzędzi i parametrów (skrót)

• Noże tokarskie: węgliki P25–P35 dla stali, K10–K20 dla brązów; promienie naroża 0,4–0,8 mm (wykańczanie).
• Rozwiertaki: nastawne/stałe, HSS/HSSE, tolerancja H7; korekcja średnicy przez posuw i chłodzenie.
• Ściernice: korund 46–60 (stale ulepszone), CBN do twardych > 55 HRC; twardość ściernicy dobierz do kontaktu i chłodzenia.
• Chłodzenie: emulsja 6–10% lub MQL dla stali automatowych; przy szlifowaniu – obfite chłodzenie (stabilność termiczna).

8. Kontrola jakości – plan międzyoperacyjny

• Po każdej zmianie mocowania: kontrola baz i kluczowych Ø.
• Wałek: TIR powierzchni łożyskowej ≤ 0,01–0,02 mm (typowo); prostoliniowość – pomiar na kłach.
• Tuleja: współosiowość Ø wewn. do Ø zewn. wg rysunku (np. 0,01–0,03 mm); średnica wewn. sprawdzianem H7; chropowatość – chropowatościomierz.

9. Przykładowe karty operacji (skrót)

• Wałek Ø30h6/L120, łożyskowanie Ra 0,4 µm:
  • 10: Cięcie L=125, piła; 20: Nakiełki 60°; 30: Toczenie zgrubne Ø31; 40: Kształtowanie stopni; 50: Hartowanie 58±2 HRC (jeśli wymagane); 60: Szlifowanie Ø30h6; 70: Rowek wpustowy 8×3,3; 80: Kontrola TIR ≤ 0,01 mm, Ra ≤ 0,4 µm.
• Tuleja D50f7/d30H7/L40:
  • 10: Cięcie; 20: Toczenie D=50,4; 30: Wytaczanie d=29,8; 40: Rozwiercanie d=30H7; 50: Toczenie D=50f7; 60: Fazy 1×45°; 70: Kontrola: sprawdzian H7 (go/no-go), mikrometr D, Ra.

Aktualne informacje i trendy

• Tokarki CNC z pomiarem w procesie (sondy, kompensacja zużycia narzędzia) i symulacją CAM ograniczają rozrzut wymiarów oraz kolizje.
• Minimal Quantity Lubrication (MQL) i chłodzenie kriogeniczne poprawiają trwałość narzędzi i jakość powierzchni, szczególnie w stalach hartowanych.
• Twarde toczenie (CBN) zastępuje część szlifowania po cieplnej dla 55–62 HRC, skracając czas przezbrajania.
• Dla tulei precyzyjnych rośnie zastosowanie honowania/łuszczenia (skiving & roller burnishing) w małoseryjnej hydraulice.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Kolejność „zewnętrzne → wewnętrzne” w tulei minimalizuje cienkościenne odkształcenia podczas mocowania.
• Obróbka na kłach w wałku zapewnia wspólną oś odniesienia dla wszystkich średnic – kluczowe dla bicia.
• Naddatki po cieplnej kompensują warstwę odwęgloną/utlenioną i odkształcenia; szlifowanie stabilizuje wymiar i Ra.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo: osłony, wyłączniki awaryjne, procedury LOTO; środki OPI (okulary, rękawice odporne na ostre krawędzie, ochrona słuchu).
• Normy/standardy: bezpieczeństwo tokarek wg ISO 23125; wymagania systemowe ISO 9001/14001; gospodarka chłodziwami zgodnie z przepisami lokalnymi (BHP/OSHA w USA).
• Ochrona środowiska: właściwa segregacja wiórów, regeneracja chłodziw, ograniczenie mgły olejowej.

Praktyczne wskazówki

• Wałek długi: użyj lunety stałej/obrotowej; zmniejsz wysięg narzędzia; posuw koryguj, aby uniknąć drgań.
• Tuleja cienkościenna: stosuj mandrel rozpierny lub tuleję zaciskową pełną, małe ap i ostre naroża narzędzia.
• W procesie CNC grupuj zabiegi, by zredukować przezbrojenia; używaj tej samej bazy dla operacji wpływających na współosiowość.
• Rezerwa na wykańczanie: dla szlifowania Ø 0,2–0,4 mm na średnicy; dla honowania 0,02–0,05 mm na promieniu.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Ostateczne parametry skrawania zależą od konkretnej maszyny, oprawki, narzędzia, chłodzenia i partii materiału.
• Bez rysunków nie można przesądzić o kolejności bazowania – zawsze podporządkuj ją wymaganiom na współosiowość i tolerancje kształtu.
• Obróbka cieplna może wymagać dodatkowego prostowania i korekty nakiełków.

Sugestie dalszych badań

• Dobór pasowań wg ISO 286 (np. H7/g6, H7/p6, H7/u6) w zależności od funkcji połączenia wałek–tuleja.
• Optymalizacja parametrów z użyciem kart SPC i narzędzi DoE (Design of Experiments).
• Zastosowanie CBN i powłok AlTiN/AlCrN dla twardego toczenia po cieplnej.

Krótkie podsumowanie

• Zacznij od analizy rysunku i funkcji, dobierz półfabrykat i bazy. Zaplanuj operacje od zgrubnych do wykańczających, uwzględniając naddatki i ewentualną obróbkę cieplną. Dla wałka preferuj obróbkę „na kłach” i szlifowanie powierzchni łożyskowych; dla tulei – najpierw stabilna zewnętrzna, potem precyzyjny otwór (rozwiercanie/honowanie). Ustal plan kontroli, bezpieczeństwo i dokumentację.
• Jeśli podasz rysunki (format, tolerancje, materiał), przygotuję gotowe karty operacji z parametrami i czasami normatywnymi.