Курсоваяработа
Тема:Проектирование модуля главного движения станка сверлильно-фрезерно-расточнойгруппы
/>Содержание
1 Определениетехнологического назначения станка, анализ схем обработки и методовформообразования поверхностей деталей
1.1 Определениетехнологического назначения станка
1.2 Анализ обрабатываемыхповерхностей детали
1.3 Сведения отехнологическом процессе изготовления детали
1.4 Определение методовформообразования поверхностей
2 Определениефункциональных подсистем проектируемого модуля и разработка его структуры
3 Определение основныхтехнологических характеристик модуля
3.1 Основныетехнологические условия использования проектируемого станка
3.1.1 Виды переходов
3.1.2 Характерныесочетания технологических условий обработки (с учётом технологическогопроцесса)
3.2 Определениепредельных режимов работы станка
3.2.1 Определениепредельных значений режимов резания
3.2.2 Определениепредельных частот вращения шпинделя
3.3 Техническиехарактеристики станков-аналогов
4 Определение компоновокстанка и модуля
5 Разработкакинематической схемы модуля
5.1 Выборэлектродвигателя
5.2 Определениедиапазонов регулирования с постоянной мощностью и постоянным моментом
5.2.1 Определение диапазонарегулирования частот вращения
шпинделя
5.2.2 Определениедиапазонов регулирования с постоянной мощностью и постоянным моментом
5.3 Определение рядарегулирования переборной коробки
5.3.1 Предварительноеопределение ряда регулирования переборной коробки
5.3.2 Уточнениезнаменателя ряда регулирования коробки и диапазонов регулирования
5.4 Уточнениехарактеристик электродвигателя
5.5 Выбор типа привода
5.6 Составлениеструктурной сетки привода
5.7 Построение графикачастот вращения шпинделя
5.8 Определениепередаточных отношений шпинделя
5.9 Определение чиселзубьев передач
6 Расчёты и разработкаконструкции модуля с применением ЭВМ
6.1 Расчёт мощности навалах
6.2 Выбор расчётной цепи
6.3 Расчёт максимальных моментов на валах
6.4 Расчёт валов проектный
6.5 Расчёт зубчатыхпередач проектный
6.6 Расчёт шпиндельногоузла
6.6.1 Разработкаконструкции шпиндельного узла
6.6.2 Расчет шпиндельногоузла на жёсткость
7 Проверочные расчёты
7.1 Проверочный расчётвала
Список использованной литературы
1Определение технологического назначения станка, анализ
схемобработки и методов формообразования поверхностей деталей
1.1Определение технологического назначения станка
Разрабатываемый станок является многоцелевым станком с компьютернымуправлением. Он предназначен для обработки корпусных деталей из конструкционныхматериалов, легких сплавов.
На данном станке можно выполнять сверление, зенкерование,развертывание, растачивание точных отверстий, фрезерование по контуру слинейной и круговой интерполяцией, нарезание резьбы метчиками.
Наличие поворотного стола, устанавливаемого с высокой точностью,расширяет технологические возможности станка, позволяет обрабатывать соосныеотверстия консольным инструментом.
Устройство автоматической смены инструмента с инструментальным
магазином барабанного типа монтируется на верхнем торце стойки.
1.2Анализ обрабатываемых поверхностей детали
В качестве детали-представителя был выбран Фланец маслонасоса ТА6.021.001.Изготавливается в 4 цехе ФГУП “Гидравлика”.
Материал заготовки алюминиевый сплав АК6. Материал-заменительдетали сплав АК9Ч ГОСТ1583-93.
В геометрии детали имеют место как плоские, так и цилиндрическиеповерхности, обрабатывать которые предпочтительнее всего следующимиинструментами: свёрла, фрезы. Сведения о технологическом процессе изготовлениядетали приведены в пункте 1.3.
/>
Рис1. Эскиз детали
1.3Сведения о технологическом процессе изготовления детали
Таблица 1
Сведенияо технологическом процессе изготовления детали№ Наименование операции Модель оборудования
20
45
60
75
95
100
110
120
125
135
Координатно-расточная
Сверлильная
Сверлильная
Сверлильная
Сверлильная
Сверлильная
Координатно-расточная
Координатно-расточная
Фрезерная
Фрезерная
2Д450
КМЦ-600
КМЦ-600
КМЦ-600
НС-12
НС-12
2Д450
2Д450
6Н81
6М12П
После большинства станочных операций проводятся слесарные операции(напильник, верстак), и, в некоторых случаях промывочные, а также контрольные.Предполагается все операции, кроме токарных выполнить на проектируемом станке.
1.4Определение методов формообразования поверхностей
Методы формообразования поверхностей рассмотрим на примередетали-представителя.
Предполагается все операции, кроме токарных выполнить напроектируемом станке.
Наименования переходов, состав исполнительных движений, а такжеметоды и схемы обработки поверхностей приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основныесхемы обработки и методы формообразования
/>
2Определение функциональных подсистем проектируемого
модуляи разработка его структуры
Станок должен обеспечивать более широкий диапазон частот спостоянной мощностью (постоянным моментом). В целом должен обеспечиватьвозможность работы на экономических скоростях резания для различных типовдеталей, возможность быстрой переналадки в условиях гибкого производства.
Таблица 3
Подсистемыобеспечения параметров исполнительных движений и их особенностей Наименование подсистем
2 уровня Подсистемы 3 уровня наименование обозначение Обеспечения пуска и остановки (ПО) пуск П бесступенчатое ускорение УБ бесступенчатое торможение ТБ остановка О Обеспечения скорости
движения (СД)
настройка скорости
бесступенчатая НБ
изменение скорости
в процессе обработки ИС стабилизация скорости СТ Реверсирования движения (РД) ПО выбор направления ВН
соответствия режимов
с бесступенчатым изменением РБ Обеспечения
перемещения (ПМ) ПО РД СД величины перемещения ВП
Проектируемый мехатронный станок должен обеспечивать высокуюточность переходов. Поэтому предлагается применить датчик температуры, чтобыконтролировать изменение скорости резания в зависимости от изменениятемпературы резания. Для реализации работы подсистем НБ11 и СТ23 в целях повышенияжесткости механической характеристики двигателя и точности регулированияприменяется датчик скорости.
Интеллектуальная система с программно-адаптивным управлением ИС23.Разрабатываемый мехатронный станок будет иметь бесступенчатое регулированиеускорения (и торможения). Станок должен обеспечивать требуемые показателикачества, производительность обработки и требуемые параметры исполнительныхдвижений. Для согласования скоростей и перемещений применим системусогласования параметров, определяющих скорость и величину перемещения (системаСК 14). Для большей продолжительности работы резцов и предупреждения ихпреждевременного износа, а также для максимально возможной экономии энергии(продолжительность работы в станкочасах) станок должен обеспечивать во всехоперациях работу на экономических скоростях резания.
Таблица 4.
Сравнительная характеристикафункциональных подсистем для проектируемого мехатронного станка и для станка –аналога
/>
С учётом функциональных подсистем проектируемого модуля строим егоблок-схему и структуру (Рис 2, Рис 3).
/>
Рис2. Блок-схема проектируемого модуля
/>
Рис3. Структура проектируемого модуля
3Определение основных технологических характеристик модуля
3.1Основные технологические условия использования проектируемого станка
3.1.1Виды переходов
На проектируемом станке будут выполняться следующие видыпереходов:
а) Контурное фрезерование
б) Фрезерование плоскости
в) Сверление
г) Нарезание резьбы
Характер обработки: предварительная и чистовая
Обрабатываемый материал: АК6.
3.1.2Характерные сочетания технологических условий обработки (с учётомтехнологического процесса)
Сверление:
Максимальный диаметр обработки dmax=18 мм
Минимальный диаметр обработки dmin=4 мм
Фрезерование:
Максимальная ширина контакта dmax=40 мм
Нарезание резьбы:
Максимальный диаметр обработки dmax=16 мм
Минимальный диаметр обработки dmin=6 мм
Для нахождения предельных режимов резания необходимо определитьмаксимальные и минимальные обороты шпинделя. Максимальные обороты получаютсяпри использовании инструмента с наименьшим диаметром. Минимальные ─ прииспользовании инструмента с наибольшим диаметром. В качестве инструментоввыбираем фрезу SANDVIK R252.44 ( тв. Сплав с покрытием) и метчик по ГОСТ 3266-81.
3.2Определение предельных режимов работы станка
3.2.1Определение предельных значений режимов резания
По каталогу “Станкин” скорость резания при фрезеровании алюминияфрезой диаметром d=40 тв. сплавной с покрытием, при S=0.2, V=1100 м/мин.
С помощью пакета программ “Станкин” [7] рассчитываем составляющиесил резания, максимальные момент и мощность: Dф=40 мм Рx, Н 264 Рy, Н 211 Рz, Н 528 М, Н×м 10,561 Nэф, кВт 9491
При нарезании резьбы скорость резания принимаем покаталогу“Станкин” V=12,6 м/мин и V=12,6 м/мин при обработке стали метчиком d=6мм и d=16мм соотвественно. Dс=6 мм Dс=16 мм Рx, Н 34,8 1058,4 Рy, Н 223,7 1446,7 Рz, Н 655,7 3126,3 М, Н×м 1,107 18,298 Nэф, кВт 0,076 1,139
3.2.2Определение предельных частот вращения шпинделя
Частоту вращения шпинделя рассчитываем по следующей формуле:
/> , (1)
При фрезеровании n=9000 об/мин.
При нарезании резьбы n=35,5 об/мин.
3.3Технические характеристики станков-аналогов
Технические характеристики станков-аналогов приведены в таблице 5.
Таблица 5
Техническиехарактеристики станков-аналоговМодель станка-аналога nmax, об мин nmin, об мин N, кВт КМЦ-600 3000 21.2 14 2Д450 4000 40 3 6Н81 4000 40 7.5
Сравнивая значения технических характеристик проектируемого модуляи станков-аналогов, приходим к выводу, что разрабатываемый модуль будетотличаться не очень широким диапазоном регулирования в области завышенныхчастот. Мощность электродвигателя целесообразно принять равной N=8,5 кВт.
4Определение компоновок станка и модуля
В процессе составления компоновки станка принимаем во вниманиетиповые компоновки на примере станков-аналогов. Наиболее приемлемойпредставляется компоновка со встроенным приводом, позволяющая сократить числосоставных частей и деталей станка.
/>
Рис4. Общая компоновка станка
1-шпиндель
2-шпиндельная бабка
3-поворотный стол
4-электродвигатель
5-продоьлные салазки
6-станина
7-колонна
5Разработка кинематической схемы модуля
5.1Выбор электродвигателя
На основании полученных данных (п.3.2.2.):
nmax =9000 об/мин
nmin =35,5 об/мин
N=8,5кВт.
Mэmax=18 Нм,
з предложенного перечня двигателей выбираем электродвигатель 1PH7103-NG (двигатель постоянноготока с бесступенчатым регулированием).Nном, кВт 8,5 nэд max об/мин 7500 nном об/мин 2000 M, Н×м 33
/>5.2 Определение диапазонов регулирования с постоянноймощностью и постоянным моментом
5.2.1Определение диапазона регулирования частот вращения шпинделя
Диапазон регулирования электродвигателя определяем по формуле:
/> (2)
/>
5.2.2 Определение диапазонов регулирования с постоянной мощностью ипостоянным моментом
Диапазон регулирования с постоянной мощностью определяем поформуле:
/> (3)
где b=4 для многоцелевых станков.
С учётом найденных параметров технических характеристик и типапривода
/>
Диапазон регулирования с постоянным моментом определяем по формуле:
/> (4)
/>
5.3Определение ряда регулирования переборной коробки
5.3.1Предварительное определение ряда регулирования переборной коробки
Первоначально знаменатель ряда, принимается равным диапазонурегулирования двигателя с постоянной мощностью (RЭР), и должен быть меньшенего, как минимум на 5%.
/> (5)
/> (6)
5.3.2Уточнение знаменателя ряда регулирования коробки и диапазонов регулирования
При округлении числа ступеней коробки в большую сторонуфактический знаменатель ряда уменьшается. Необходимо уточнить его значение.
/> (7)
/>
Диапазоны регулирования необходимо уточнить по принятомуокончательно значению знаменателя.
/> (9)
/>
/> (10)
/>
5.4 Уточнение характеристик электродвигателя
С уменьшением знаменателя ряда частот коробки диапазонрегулирования привода по полю может быть уменьшен до значения jК, поэтому максимальнаячастота вращения электродвигателя снижается:
/> (11)
/>
Минимальная частота вращения электродвигателя определяетсядиапазоном регулирования привода с постоянным моментом.
5.5Выбор типа привода
Для заданного числа ступеней коробки предпочтительным являетсяиспользование встроенного привода с автоматической переборной коробкой сиспользованием подвижных блоков колёс перемещаемых с помощью кулачковогомеханизма. В данном случае приемлем вариант с нормальной структурой: 1*2*2=4.
/>/>
5.6Составление структурной сетки привода
Для выбранной структуры привода главного движения выбираетсяпрямой кинематический порядок привода: 1*2*2=4.
В соответствии с этим структурная сетка приводабудет выглядеть так:
Окончательно принимаем следующую кинематическую схему.Кинематическая схема привода модуля главного движения показана на рисунке 6.
/>
Рис.5Структурная сетка
/>
Рис6. Кинематическая схема привода модуля главного движения
5.7Построение графика частот вращения шпинделя
/>
Рис7. График частот вращения шпинделя
5.8Определение передаточных отношений шпинделя
С помощью графика частот (Рис 7.) определяем все передаточныеотношения.
/>
/>/>
/>
/>
5.9Определение чисел зубьев передач
Исходя из значений передаточных отношений, определим числа зубьевпередач табличным методом.
Суммарное число:
/>
/> /> /> />
/>
/> /> /> />
6Расчёты и разработка конструкции модуля с применением ЭВМ
6.1Расчёт мощности на валах
Мощность на i-том валу:
/>
где /> — коэффициент потери мощности для i-того вала.
Коэффициенты принимаются по рекомендациям [2]
Для первого вала:
/>;
где /> - КПД пары подшипников,рекомендуют /> ; />;
/> - КПД зубчатой постоянной передачи,рекомендуют/>;/>;
/>
Для второго вала:
/>
Для третьего (шпиндель) вала:
/>
6.2Выбор расчётной цепи
За расчетную цепь принимаем нижнюю ветку графика от номинальнойчастоты вращения двигателя. В качестве расчетных частот для определения максимальныхмоментов на валах примем:
n1=1120 об/мин
n2=560 об/мин
n3=140 об/мин
6.3Расчет максимальных моментов на валах
Момент на i-том валу:
/> (
где /> — расчетная частота вращения i-того вала.
/>
/>
/>
6.4Предварительный расчет валов
В качестве материала для валов выбираем Сталь 45Х ГОСТ 4543-71.
Предварительный расчет валов веду на кручение по допустимымнапряжениям.
Диаметр выходного конца i-того вала при допускаемом напряжении кручения/>:
/>;
Для данногослучая:
/>
/>
/>
6.4.1Эскизы валов
/>
Рис.9 Эскиз входного вала
/>
Рис.10Эскиз промежуточноговала
/>
Рис.11.Эскиз шпинделя
Как видно из эскизов валов все диаметры увеличиваются в однусторону, т.е. условие сборки обеспечиваются.
6.5Расчёт зубчатых передач проектный
Расчет ведется по самой нагруженной передаче i1. Как видно из графикамаксимальный момент на валах возникает при работе двигателя на номинальнойчастоте, следовательно, на этой частоте и ведем расчеты.
Для колес Z1-Z4 принимаем сталь 45, 240-280HB, c т.о. улучшение. Дляколес Z5-Z8 принимаем сталь 35хм,45HRC, с т.о. закалка.
Исходя из унификации деталей, инструментов и используемыхматериалов, необходимо изготавливать колеса из одного материала, при этомжелательно в одной группе иметь один модуль. Поэтому проводим расчет самойнагруженной передачи. По результатам вычислений, для менее нагруженных передач,назначим параметры(модуль, материал колес и т.д.)
Определение допускаемых контактных напряжений
/> (9)
где/> — предел выносливости материала,принимаем по таблице 8.9 [9]
/>=720 МПа для стали 45 240…280 HB
/>=965 МПа для стали 35ХМ 45 HRC
/> — коэффициент безопасности,принимаем по таблице 8.9 [10]
/>=1,1
/> — коэффициент долговечности,принимаем />=1
/>МПа
/>Мпа
/>МПа
/>МПа
Определение допускаемых напряжений изгиба
/> (10),
где /> — предел выносливости зубьев понапряжениям изгиба, принимаем по таблице 8.9 [9]
/>=400 МПа для стали 45 240…280 HВ
/>=650 МПа для стали 35ХМ 45 HRC
/>-коэффициент безопасности,принимаем по таблице 8.9 [9]
/>=1,5 для стали 45 240…280 HВ
/>=1,75 для стали 35ХМ 45 HRC
/> — коэффициент, учитывающий влияниедвухстороннего приложения нагрузки
/>=1 для односторонней нагрузки
/> — коэффициент долговечности,принимаем />=1
/>МПа
/>МПа
/>МПа
/>МПа
/>(11),
где u — передаточное число передачи
/> — приведённый модуль упругости, />МПа для всехсталей
/> — момент на ведомом валу
/> — коэффициент концентрациинагрузки по контактным напряжениям, принимается по графику ([9], рис. 8.15) при/>-коэффициент ширины колеса относительно его диаметра
/>
Это коэффициент ширины колеса относительно межосевого расстояния.
По рекомендации ([9], стр. 93) принимаем />
Межосевое расстояние определяют для наиболее тяжелонагруженных парколёс, для которых передаточное число наибольшее, а число оборотов колесанаименьшее. Такими парами являются z1 z2 и />/>.
Межосевое расстояние между I и II валом
/>
/>
/>мм
Расчётный модуль />мм
По ГОСТ 9563-60 принимаем />= 2 мм
Уточнение межосевого расстояния
/>мм
Межосевое расстояние между II и III валом
/>
/>
/>мм
Расчётный модуль />мм
По ГОСТ 9563-60 принимаем /> = 3 мм
Уточнение межосевого расстояния.
/>мм
По [9], стр. 138 />
/>мм
/>мм
Для облегчения переключения зубчатые венцы выполняются сбочкообразной формой рабочих торцов зубьев.
В результате рабочая длина зуба уменьшается примерно на величину />(см. Рисунок 12),где h-высота зуба />
/>мм
/>мм
/>мм
/> мм
/>
Рисунок12. Зуб
Поэтому окончательная ширина венцов зубчатых колёс будет
/>мм
/>мм
Для того, чтобы выполнить проверочные расчеты передач достаточносделать проверочный расчет самой нагруженной передачи. В наиболеенеблагоприятных условиях находятся зубчатые колёса />, /> прочность которых проверим с помощьюпрограммного обеспечения, разработанного в «СТАНКИНе».Результаты проверкиприведены на рисунке 13.
/>
Рисунок13. Результаты проверки
По результатам проверочного расчета можно сделать вывод,проверяемая передача работоспособна, так как действующие изгибные и контактныенапряжения меньше допустимых.
6.6Расчёт шпиндельного узла
6.6.1Разработка конструкции шпиндельного узла
Расчет шпиндельного узла производим с помощью автоматизированнойподсистемы расчетно-конструкторских работ «Шпиндель» (разработчик- СТАНКИН).Вкачестве переднего конца шпинделя выбираем стандартный конец для фрезерныхстанков с конусностью 7:24 ГОСТ 836-72. Используя значение ширины рабочегостола (для данного типоразмера деталей принимаем ширину стола равной 200 мм),получаем размеры переднего конца шпинделя. Вводя максимальные обороты шпинделя,определяем параметр быстроходности, и определяю схему опор шпинделя. Эскизпереднего конца шпиндельного узла, полученный при помощи автоматизированнойподсистемы, представлен на Рис.14.
/>
Рис.14.Конструкция переднего конца шпинделя
Подшипники нижней опоры помещаем в стакан, закрепленный в корпусе.Опору фиксируем в обоих осевых направлениях по схеме «Х». Сверху подшипникизатягиваем гайкой.
Радиальный зазор в опорах регулируется гайкой и толщиной наборатонких металлических прокладок между крышкой и стаканом.
6.6.2Расчет шпиндельного узла на жёсткость
Используя пакет программ “Станкин” [7] получаем следующиерезультаты:
/>
Рис.15Результаты расчета на жесткость
Необходимая жесткость шпинделя обеспечивается, так как ее значениенаходится в диапазоне от 200 до 500 Н/мкм.
7Проверочные расчёты
7.1Проверочный расчёт вала
Проверяем промежуточный вал, т.к. он самый нагруженный.
Проверочный расчет промежуточного вала, а также подшипниковнаходящихся на этом валу производится с помощью программы KOMP_IR. Результаты проверочныхрасчетов приведены на рис. 16 и рис.17.
/>
Рис.16Результаты расчета подшипников и построения эпюр
/>
Рис.17.Результаты проверки шлицевого вала
С помощью пакета программ “Станкин” [7], находим, что суммарныйкоэффициент запаса усталостной прочности равен s=2,75. Это говорит о том,что рассматриваемый вал выдерживает действующие нагрузки.
Список использованной литературы
1. Кудояров Р.Г. Функционально –структурное построение мехатронных станочных модулей. Уфа, УГАТУ, 2000 – 60 с.,ил.
2. Справочниктехнолога-машиностроителя. В 2-х томах. Т. 1. Под редакцией А.Г. Косиловой и Р.К.Мещерякова. 4-е изд., — М.: Машиностроение 1986. 656 с., ил.
3. Справочниктехнолога-машиностроителя. В 2-х томах. Т. 2. Под редакцией А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. И доп. –
М.: Машиностроение 1986год. 496 с., ил.
4. Анурьев В.И.Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 1. — 6-е изд., перераб. идоп. — М.: Машиностроение, 1982. -736 с., ил.
5. Анурьев В.И.Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 2. — 6-е изд., перераб. идоп. — М.: Машиностроение, 1982. -584 с., ил.
. Дунаев П.Ф., Леликов О.П.Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. Пособие для машиностроит. спец.вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985 – 416 с., ил.
7. Пакет программ“Станкин”.
8. Электронный каталог Sandvik Coromant.
9. Иванов М.Н.Детали машин: Учеб. для студентов втузов/Под ред. В.А. Финогенова — 6-е изд.,перераб. — М.: Высш шк., 2000. — 383с.: ил.