Проектирование инструмента для машиностроительного производства

 

 

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Ярославский государственный технический университет

Кафедра «КИ ТМС»

 

 

 

 

                                                                                   Курсовая работа защищена

                                                                                  с оценкой_______________

                                                                                   Руководитель:

                                                                                   к. т. н., доцент

                                                                                   _____________А.В. Оборин

                                                                                   «____»______________2014

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Инструментальное обеспечение машиностроительных производств»

Тема курсовой работы:

Проектирование инструмента для машиностроительного

производства

 

ЯГТУ 150001.65–012 КР

 

 

 

 

Работу выполнил

студент гр. МТ–55

_____________О.А. Екимов

«____»_______________2014

 

 

 

 

 

 

 

 

2014

Оглавление

 

 

Введение

Развитие машиностроения должно осуществляться за счет комплексной механизации и автоматизации, использования прогрессивной технологии, направленной на сокращение рабочих мест. В целях постоянного ускорения и снижения затрат производства предусматривается развивать его в основном за счет использования станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, автоматических линий и т.д.

Основной эффект от использования станков с ЧПУ состоит в значительном снижении вспомогательного времени и увеличении доли машинного времени до 60-80% в составе штучного времени, в то время как при использовании обычных универсальных станков доля машинного времени составляет всего 15-20%. Но одновременно это оборудование в комплекте с автоматическими системами управления от ЭВМ является сложным и дорогостоящим. Поэтому необходимым условием его эффективного использования является высокая надежность работы всех элементов, в том числе и режущего инструмента, с учетом автоматической его замены при износе режущих элементов.

Кроме того, широкое применение в отраслях машиностроения высокопрочных материалов, таких, как коррозионно-стойкие и жаропрочные стали, жаропрочные и титановые сплавы, высокопрочные стали, значительно превышает надежность и долговечность деталей машин, но, как правило, снижает технологичность при обработке резанием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор оборудования

 

 

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОБРАБАТЫВАЮЩИЙ ЦЕНТР

MCV 754 QUICK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ОБРАБАТЫВАЮЩИЙ MCV 754 QUICK

 

Станок предназначен для сверления, растачивания, развертки, нарезки резъбы и фрезерования больших и сложных по форме деталей. Работа в автоматическом режиме осуществляется за счет автоматической замены инструмента. Передвижения и подачи крестового стола и шпиндельной бабки происходят одновременно. При использовании специальных принадлежностей станок дает возможность обработки детали с четырех сторон, обработки по винтовым линиям и использование высокопроизводительного инструмента с центральым охлаждением.  

 

 

Характеристика компоновки станка:

- подвижные части станка (салазки, стол, шпиндельная бабка) расположены на линейных направляющих качения

- шпиндель установлен на точных радиально упорных подшипниках

- приводы переменного тока шпинделя и осей с цифровым управлением HEIDENHAIN

- линейное оптическое отмеривание по всем осям

- центровое закрепление инструмента

- система ЧПУ iTNC 530 HEIDENHAIN 

- магазин инструмента с механизмом  подачи - рукой

 

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ:

Ход стола по оси X	754	мм
Ход стола по оси Y	500	мм
Ход шпиндельной бабки по оси Z	550	мм
Зажимная (рабочая) площадь стола	1000 x 500	мм
Максимальная загрузка стола	400	кг
Точность установки координат X,Y,Z	0,01	мм
Точность повторной установки	0,003	мм
Диапазон подач по осям X,Y,Z	2 – 15 000	мм.мин-1
Скоростная подача по осям X,Y,Z	30 000	мм.мин-1
Диапазон плавно изменяемых оборотов шпинделя	20 - 10 000	об.мин-1
Конус шпинделя	ISO 40	( DIN 69871 - A )
Мощность привода шпинделя	( 40% ED)  9/13	кВт
Макс. количество ячеек в магазине	24
Макс. диаметр инструмента в магазине	75/120	мм
Макс. длина инструмента в магазине	250	мм
Макс. масса инструмента при автомат. замене	6,5	кг
Размер плана станка	2 590 x 2 320	мм
Высота станка	2 560	мм
Масса станка	4 000	кг
Общая мощность станка	25	кВт
Рабочее давление пневмосистемы	0,6	МПа
Т-образные пазы (колич. х шир. х расст.)	3 x 18 x 125	мм

 

 

Станок проектирован для работы в нормальных условиях рабочего цеха, в котором удерживается температура в пределях от +5oC до +40oC, причем средняя температура не должна превисить 35oC при максимальной влажности воздуха 70%. Рабочая точность гарантированая при соблюдении температуры рабочей среды 20 ±2 oC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Проектирование спирального комбиниронного сверла

 

2.1 Исходные данные для расчета комбинированного сверла:

- номинальный  диаметр меньшего отверстия D1=8,5 мм;

- номинальный  диаметр большего отверстия D2=13 мм;

- длина  сверления первой ступени l1=15 мм;

- длина  сверления второй ступени l2=1 мм;

Принимаем материал сверла –  быстрорежущая сталь марки Р6М5 ГОСТ 19265-79.

2.2 Определение геометрических параметров режущей части

 

- Для  обробатываемого материала принимаем главный угол в   плане j=1200±20;

- Задний  угол принимаем a=100±10;

- Угол  наклона стружечной канавки принимаем w=300±10.

шаг винтовых канавок

,

мм, мм.

- Угол наклона  поперечной режущей кромки ψ=500

2.3 Определение размеров поперечного сечения сверла

Принимаем класс точности сверла А1

Обратная конусность 0,1 на 100 мм длинны

Диаметр ступеней сверла:

мм, мм.

Величина ленточки f.

, мм.

, мм, , мм,

Диаметр спинки сверла принимается равным

, мм.

 мм, мм.

По технологическим соображениям высота ленточки должна соответствовать условию

0,1<(D-q)<2,5 мм,

0,1<0,22<2,5 мм,

0,1<0,2<2,5, мм.

Условие выполняется.

Сердцевина сверла.

Диаметр сердцевины сверл из быстрорежущей стали принимается равным :

Dc =(0,145-0,125)D при D<10 мм.

Dc1 =0,14·8,5=1,2мм;

Dc2 =0,14·13=1,8мм.

Профиль стружечной канавки.

Форма канавки должна обеспечить прочность сверла, достаточное место для размещения стружки и ее легкий отвод. Основными параметрами формы канавки являются ширина канавки и кривые сопряжения.

Q=900

Ширина пера в нормальном сечении сверла равна

 мм.

 мм, мм.

Кривые сопряжения канавки рассматриваются в нормальном сечении калибрующей части сверла и определяют профиль канавочной фрезы. При упрощенном аналитическом способе расчета профиль канавки представляют двумя радиусами сопряжения Rk и rk.

Rk=CR·Cr·D, мм,

где D – диаметр сверла, мм,

,

Cr1= Cr2=1 – из таблиц.

Rk1=0,512·1·8,5=4,35 мм,   Rk2=0,512·1·13=6,65 мм.

.

мм,  мм.

 

 

2.4 Хвостовик сверла

 

Условие передачи крутящего момента:

Мтр³кМкр,

где  Мтр – момент сил трения, Нм,

к – коэффициент запаса (к=4…6),

Мкр – суммарный крутящий момент резания, Нм.

Момент, создаваемый силами трения, определяется зависимостью

,

где m = 0,1 - коэффициент трения,

Ро – суммарная осевая составляющая силы резания, Н,

 

2.5 Длина сверла

 

L= L1+ L2+lхв+lш,

где L1 – длина первой ступени, мм,

L2 - длина второй ступени, мм,

lхв – длина хвостовика, мм,

lш=10-15 мм – длина переходной шейки.

Длина первой ступени:

L1= l1+lк+lпер+lзат,

где l1 =15 мм – длина первой ступени обрабатываемого отверстия,

lк =5,48 мм – длина режущей части, мм,

lпер=2-3 мм – величина перебега сверла,

lзат=1,7D1=1,7·8,5=14,45 мм – запас на переточку.

L1= 15+5,48+2+14,48=36,96, принимаем L1=37 мм.

Длина второй ступени равна

L2=l2+lк+lr+lзат,

где l2 – длина первой ступени обрабатываемого отверстия,

lк =5,45– длина режущей части,

lr=0,5·D2=0,5·13=6,5мм – величина стружечной канавки неполной глубины, необходимая для выхода фрезы,

lзат=1,7·D2=1,7·13=22 мм – запас на переточку,

D2 - диаметр второй ступени сверла.

L2=1+5,45+6,5+22=28,45, принимаем L2=35 мм.

L=37+36+37+5=115 мм.

2.6 Проверка  сверла на устойчивость

 

Для исключения опасности потери устойчивости должно выполняться условие

Ркр>кРо,

где Ро – суммарная осевая сила резания, Н,

к – коэффициент формы перемычки, к=1,3 – при отсутствии подточки перемычки.

Критическая сжимающая сила зависит от площади поперечного сечения сверла и его вылета и определяется по формуле

,

где Е=2.105 МПа – модуль упругости материала сверла,

Imin=0,039D14 = 9135,984 мм4 – минимальный момент инерции сечения сверла,

l1 и l2 – длины ступеней сверла, мм.

h - коэффициент критической нагрузки

56817,15>10848,35

Условие выполняется.

2.7 Технические требования

Параметр шероховатости задних поверхностей и поверхностей ленточек сверл из быстрорежущей стали не должен превышать Ra=0,63;

Допустимое радиальное биение 0,15 мм;

Допустимое осевое биение 0,3 мм

 

1.1 В соответствии с требованиями настоящего стандарта сверла должны изготовляться двух типов по технической документации, утвержденной в установленном порядке: тип I - сверла спиральные ступенчатые

для станков с ЧПУ для обработки отверстий под винты с цилиндрической головкой (ОСТ2 И20-6-84) и тип 2 - сверла спиральные ступенчатые для станков с ЧПУ для обработки отверстий под резьбу с одновременным формированием фаски (ОСТ2 И20-7-84).

Сверла спиральные ступенчатые для станков с ЧПУ должны изготовляться двух классов точности: А - повышенной точности и В - нормальной точности.

Сверла класса точности А соответствуют высшей категории качества, сверла класса точности В - первой категории.

1.2 Сверла должны быть изготовлены из быстрорежущей стали марки Р6М5 или из других марок быстрорежущей стали по ГОСТ 19265-73, не уступающей по эксплуатационным показателям стали упомянутой марки.

Сверла с износостойким покрытием должны быть покрыты слоем нитрида титана, нанесенным методом КИБ.

1.3 Сверла должны быть изготовлены сварными. В зоне сварки не допускаются: непровар, кольцевые трещины и поверхностные раковины.

Сверла с цилиндрическим хвостовиком из светлотянутой или полированной стали диаметром до 12 мм допускается изготовлять цельными.

1.4 Хвостовики сверл должны быть изготовлены из стали марки 45 по ГОСТ 1050-74 или из стали марки 4ОХ по ГОСТ 4543-71.

1.5 Твердость рабочей части сверла должна быть 63...66 НRС. Твердость рабочей части сверл из быстрорежущей стали с содержанием ванадия не менее 3% и кобальта не менее 5% должна быть выше на1-2 ед. HRC.

Твердость должна быть обеспечена на длине канавки, уменьшенной на величину не более 1,5 диаметра меньшей ступени от сварочного шва.

1.6 Твердость  поводков сверл с цилиндрическим  хвостовиком должна быть не менее 27 НRС.

1.7 Твердость  лапок сверл с коническим хвостовиком должна быть 32...47 НRC.

1.8 Поверхность  сверла не должна иметь трещин и следов коррозии.

Шлифованные поверхности не должны иметь вмятин и черновин. На передних и задних поверхностях ленточек и хвостовике не должно быть обезуглероженного слоя и окислений в виде цветов побежалости.

 1.9 Нешлифованные поверхности сверл после термообработки должны быть обработаны механическим или термомеханическим путем.

 1.10 Сверла, кроме предназначенных для покрытия нитридом титана, допускается обрабатывать комплексной химико-термической обработкой (цианированием, цианированием с последующим оксидированием, обработкой в атмосфере перегретого водяного пара), фосфатированием, обработкой низкотемпературным отпуском, а также другими способами.

 

1.11 Конструктивные элементы и геометрические параметра сверл приведены в приложении I 0CT2 И80-6-84 и в приложении I 0СТ2 И20-7-84.

1.12 Поля допусков диаметров режущей части сверл без покрытия в начале каждой ступени должны быть:

 h8 – на меньшей ступени сверл обоих типов;

z9 – на большей ступени сверл типа I

hl2 – на большей ступени сверл типа 2.

1.13 Предельные отклонения размеров сверл с износостойким покрытием контролируются до нанесения износостойкого покрытия. Исполнительные размеры меньшей ступени - в соответствии с приложением I.

1.14 Предельные отклонения общей длины сверл не должны быть больше, удвоенного, а длины рабочей части - утроенного допуска js16 с симметричным расположением предельных отклонений относительно номинальных размеров.

1.15 На рабочей части сверла должны иметь обратную конусность - уменьшение диаметра по направлению к хвостовику» - вторая на 100 мм длины не должна превышать величин, указанных в табл.1

Таблица1

Номинальный диаметр сверла	Обратная конусность
До 10	От 0,03 до 0,08
Св.10 до 18	От 0,04 до 0,10
Св.18	От 0,05 до 0,12

 

1.16 Допуск симметричности сердцевины сверла относительно беи не должен превышать значений указанных в табл.2.

Таблица 2

Диаметр сверла	До 6	Св.6 до 10	Св.10 до 20
Допуск симметричности	0,08	0,10	0,12

 

 

1.17 Допуск прямолинейности режущих кромок не должен быть более величин, указанных в табл.3.

Таблица 3

Диаметр меньшей ступени	Класс точности	До 6	Св.6 до 10	Св.10 до 20
Допуск прямолинейности	А B	0,08 0,16	0,10 0,20	0,16 0,30

 

1.18 Допуск радиального биения по ленточкам на всей длине ступени рабочей части сверла относительно оси хвостовика не должен быть более:

а – для сверл с цилиндрическим хвостовиком:

на меньшей ступени с диаметром до 10 мм – 0,06 мм;

                                        свыше 10 мм – 0,08 мм;

на большей ступени с диаметром до 10 мм – 0,04 мм;

                                        свыше 10 мм – 0,06 мм;

б – для сверл с коническим хвостовиком:

на меньшей ступени с диаметром до 10 мм – 0,08 мм;

                                        свыше 10 мм – 0,12 мм;

на большей ступени с диаметром до 10 мм – 0,06 мм;

                                        свыше 10 мм – 0,10 мм;

 

1.19 Размеры конусов Морзе - по ГОСТ 25557-82.

1.20 Предельные отклонения размеров конусов Морзе - по АТ7 ГОСТ 2848-75. Предельные отклонения допусков диаметров цилиндрических хвостовиков - по h8.

1.21 Сверла, предназначенные  для нанесения покрытия, должны отвечать следующим требованиям:

 1) Сверла, предназначенные для нанесения покрытия, не должны быть подвергнуты предварительно химико-термической обработке (блюфинишу, цианированию, обработке паром и т.п.) и оксидированию.

После термообработки перед финишными операциями сверла должны быть подвергнуты гидрополированию или пескоструйной обработке (до появления серого цвета).

2) Поверхность рабочей части сверл должна быть покрыта слоем  нитрида титана,  имеющим цвет от светло-соломенного до золотистого.

Допускаются: наличие покрытия на хвостовике сверл, не снижающее показателей их точности и эксплуатационных характеристик; светлые точки, линии, полосы на участках инструмента не ближе 2,5 мм от главной режущей кромки.

Не допускаются: грубые налипания, отслоения износостойкого покрытия от основы, окисления в виде цветов побежалости на поверхности сверл.

3)Толщина износостойкого покрытия должна быть в пределах 5-8 мкм на сторону.

4)Параметры шероховатости поверхностей сверл с покрытием по ГОСТ 2789-73 не должны быть более указанных в табл.1.

1.26 Остальные технические требования - по ГОСТ 2034-80.

1.27 Условия эксплуатации и средний период стойкости сверл без износостойкого покрытия должны соответствовать требованиям, указанным в приложении 2.

Средний период стойкости сверл с покрытием при эксплуатации в соответствии с приложением 2 должен быть увеличен не менее, чем в два раза, на весь срок их службы, по сравнению со средней стойкостью аналогичных сверл без износостойкого покрытия, изготовленных из быстрорежущей стали той же плавки.

 

ПРАВИЛА ПРИЕМКИ

-  Правила  приемки по – ГОСТ 23726-79.

-  Периодические  испытания должны проводится  не реже одного раза в три  года, не менее, чем на пяти свёрлах.

 

МЕТОДУ ИСПЫТАНИЙ

 - Испытания сверл на работоспособность должны проводиться на универсальных станках сверлильно-расточной группы с установленными для них нормами точности при сверлении глухих отверстий.

- Испытания сверл должны проводиться на образцах из конструкционной стали марки 45 по ГОСТ 1050-74 твердостью 179..229 НВ. Разброс твердости должен быть не более 10 ед.НВ. Образцы для испытаний должны иметь шероховатость обработанной поверхности Rz ≤ 20 мкм.

- В качестве  смазочно-охлаждаюцей жидкости должен применяться 5%-ный (по массе) водный раствор эмульсола по ГОСТ 1975-75 с расходом не менее 10 л/мин.

- После обработки 5 отверстий на режущих кромках сверл не должно быть отслоений износостойкого покрытия, сколов и выкрашиваний. Сверла должны быть пригодны для дальнейшей работы.

 Предельные  отклонения диаметров отверстий, обработанных меньшей ступенью  сверла, не должны быть более:

для сверл типа I класса точности А – Н12, класса точности В –

Н12;

для сверл типа 2 класса точности А – H11, класса точности В – Н12.

 

 

МАРКИРОВКА

 

-На хвостовике каждого сверла должны быть четко нанесены: для сверл типа I товарный знак предприятия-изготовителя, номинальный диаметр резьбы винта, марка быстрорежущей стали, класс точности;

для сверл типа 2 - товарный знак предпргатия-изготовителя, номинальный диаметр отверстия под резьбу, для которой предназначено сверло, марка быстрорежущей стали, класс точности.

- Дополнительно на сверлах наносится изображение государст -венного Знака качества по ГОСТ 9-67 при его присвоении, на сверлах

с покрытием - индекс "КИБ".

Допускается обозначение индекса "КИБ" и изображение государственного Знака качества на этикетке.

- Транспортная маркировка и маркировка потребительской тары- в соответствии с ГОСТ 18088-83.

 

 

3.Проектирование концевой фрезы.

 

1. Обоснование использования инструмента.

Фреза предназначена для обработки пазов в детали L=20мм, уточняем значение D по ГОСТ 17025-71 (2, стр.174, табл.65): D = DГОСТ = 15 js9.

Обоснование выбора материала фрезы.

Исходя из твердости обрабатываемого материала – 207НВ, принимаем решение об изготовлении фрезы из быстрорежущей стали Р6М5 ГОСТ 19265-73.

Расчет, назначение конструктивных размеров фрезы.

Диаметр фрезы определяется из назначения. Придельные отклонения фрезы не должны быть более: наружного диаметра js 9, диаметра цилиндрического хвостовика h8. Число зубьев Z берём по ГОСТ 17025-71: Z = 6 (10, стр. 25).

Высота зуба:

H = 1,1 = 1,1*15/6= 2,75мм

Посадочный диаметр цилиндрического хвостовика больше или равен рабочему диаметру фрезы, т.е. D = 16h8.

Обоснование выбора геометрических параметров фрезы.

Угол наклона стружечной канавки w = 30…45°, берём w = 35°. Концевая фреза берётся нормально заточенной:

a = 16°, g = 10°, fл = 0,05мм.

4.Выбор стандартного инструмента

 

1. Выбор инструмента для обработки детали «Крышка»

 

Исходными данными для назначения инструмента при выполнении технологического процесса изготовления детали и проектирования специального инструмента является чертеж детали с указанными техническими требованиями, допусками на обработку отдельных поверхностей, шероховатостью, марка обрабатываемого материала, а также вида применяемого оборудования. Обработка детали «Крышка» производится на обрабатывающем центре MCV 754 QUICK.

 

2. Выбор способов обработки

 

Выбор способа обработки поверхностей заготовки определяется общей конфигурацией заготовки, формой и размерами обрабатываемых поверхностей, возможностью доступа инструмента к обрабатываемой поверхности и технологическими возможностями того или иного способа обработки и инструмента [1]. При этом выбранный способ должен обеспечивать все требования по точности обрабатываемой поверхности и обеспечивать минимум времени на обработку. Как правило, задача выбора способа обработки является многовариантной и состоит в определении наиболее рациональных вариантов обработки.

Первоначально выбор набора способов обработки выполняем с учетом экономически достижимой точности по таблицам [2]. В соответствии с принятыми вариантами обработки каждой поверхности выбираем инструмент и марку инструментального материала.

Из чертежа детали видно, что обрабатываемыми поверхностями являются плоские, а также внутренние цилиндрические поверхности. При этом наибольшая точность должна достигаться при обработке внутренних цилиндрических поверхностей диаметром 110, что соответствует точности, получаемой после чистового растачивания, исходя из таблиц экономически достижимой точности [2, стр. 16]. Ступенчатые отверстия с торца крышки обрабатываются по 11 и 9 квалитетам точности (отверстие меньшего диаметра – более точное), которую можно получить сверлением цельным твердосплавным сверлом.

Плоские поверхности обрабатываются по 12 квалитету точности, что может достигаться получистовым (однократным) точением , исходя из таблиц экономически достижимой точности [2, стр. 18].

Таким образом, анализируя чертеж детали, видно, что при обработке применяется довольно большое количество разнообразных методов обработки, а, следовательно, и различных видов режущего инструмента: концевые фрезы, сверла, расточные резцы. Определившись с выбором видов инструмента, переходим к выбору инструментального материала.

 

3. Выбор инструментального материала

 

Высокая производительность, точность и качество обработанной поверхности, себестоимость обработки определяются правильным выбором инструментального материала и геометрических параметров режущей части инструмента.

Большое разнообразие конструкционных материалов, обрабатываемых резанием, высокие требования к точности и качеству обрабатываемых деталей и т.д. приводит к необходимости выбора рациональной марки инструментального материала, который должен удовлетворять следующим требованиям [3, стр. 6]:

• Высокая работоспособность: твердость, прочность, износостойкость, термостойкость режущей части, виброустойчивость;
• Технологичность обработки: хорошая шлифуемость, закаливаемость, способность к пластическому деформированию;
• Экономичность расходования.

В настоящее время основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку, являются твердые сплавы, поскольку скорость резания, применяемая при обработке этими инструментами в 2 … 5 раз выше, чем у быстрорежущих инструментов [4, стр.20]. Все большее применение находят режущие инструменты, оснащенные твердосплавными сменными многогранными пластинами (СМП), которые имеют следующие преимущества:

• повышенная стойкость, т. к. в них отсутствуют термические напряжения (что характерно для пайки);
• меньшее время наладки инструментов из-за простоты замены затупившихся режущих кромок;
• отсутствие повторной заточки инструментов;
• постоянство геометрических параметров инструментов, которые определяются точностью исполнения СМП и гнезд под них;
• меньший запас инструментов в целом, т. к. одна державка резца или корпус фрезы могут быть использованы многократно;
• возможность применения износостойких покрытий и др.

Марку инструментального материала выбираем в зависимости от обрабатываемого материала. В соответствии со стандартом ISO инструментальные материалы подразделяют на 6 групп резания, каждая из которых обозначается определенным цветом. В свою очередь группы резания подразделяют на группы применения, которые обозначают числовым индексом. Чем больше индекс группы применения, тем ниже твердость и износостойкость. Так для обработки серого чугуна СЧ 20, из которого изготовлена деталь, из таблицы 1.10 [4, стр. 24] выбираем группу применения и марку твердого сплава – К20, вольфрамокобальтовый твердый сплав ВК6 (ему соответствует марка ТК20 производителя «Сандвик – «МКТС»). Химический состав и характеристики твердого сплава ВК6 приведены в таблице 1.