Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектирование станка на базе 6р81

Содержание


	Введение	3
1	Общая характериcтика станка	4
1.1	Технологические возможности станка	6
1.2	Способы установки заготовок на станке	6
1.3	Способы закрепления режущего инструмента на станке	11
1.4	Мерительный инструмент	11
2	Формообразование на станке	13
2.1	Методы получения производящих линий на станке	13
2.2	Составление кинематической структуры станка	16
2.3	Компоновка станка	18
2.4	Анализ кинематической структуры станка	18
3	Обоснование технической характеристики станка	21
3.1	Фрезерование черновое торцовой фрезой	21
3.2	Фрезерование черновое дисковой фрезой	21
3.3	Фрезерование концевой фрезой	24
4	Кинематический расчет привода главного движения	28
4.1	Определение числа скоростей привода главного движения	28
4.2	Построение графика частот вращения	29
4.3	Определение чисел зубьев зубчатых колес	33
5	Расчет элементов привода	34
5.1	Предварительный расчет валов	34
5.2	Расчет модулей зубчатых передач	37
5.3	Определение размеров зубчатых колес	41
6	Проверочные расчеты	42
6.1	Уточненный расчет вала	42
6.2	Подбор подшипников качения	48
6.3	Проверка шлицевого соединения	49
6.4	Проверка прочности шпоночного соединения	51
6.5	Расчет шпиндельного узла на жесткость	51
6.6	Расчет шпиндельного узла на точность	54
	Заключение	55
	Список использованной литературы	56

Введение

Современные металлорежущие станки обеспечивают исключительно высокую точность обработанных деталей. Ответственные поверхности наиболее важных деталей машин и приборов обрабатывают на станках с погрешностью в долях микрометров, а шероховатость поверхности при алмазном точении не превышает сотых долей микрометра. Требования к точности в машиностроении постоянно растут, и это, в свою очередь, ставит новые задачи перед прецизионным станкостроением.

Специалисты в области технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов находятся на одном из самых ответственных участков всего научно-технического прогресса. Задача заключается в том, чтобы в результате коренного совершенствования технологии обработки, создания новых металлорежущих станков с микропроцессорным управлением, станочных модулей для гибких производственных систем обеспечить техническое и организационное перевооружение всех отраслей машиностроения и на этой основе обеспечить существенное повышение производительности труда. Для успешного творческого труда инженеры-станкостроители должны быть фундаментально подготовлены в области математики, физики, вычислительной техники, иметь фундаментальные знания и навыки по общим инженерным дисциплинам и, наконец, хорошо знать свою будущую специальность. Необходимо ясно представлять общие важнейшие свойства и качества, определяющие технический уровень металлорежущих станков, с тем, чтобы создавать лучшие образцы и новые модели станков.

В настоящее время и в обозримом будущем потребуется создание новых моделей станков, станочных модулей, гибких производственных систем, поэтому будущие специалисты-станкостроители должны владеть основами конструирования станков и их важнейших узлов. Для успешного применения вычислительной техники при конструировании необходимо хорошо знать содержание процесса проектирования всех видов станочного оборудования, владеть методами его моделирования и оптимизации.

1. Общая характеристика станка

Основные узлы станка (рисунок 1). А — станина с коробкой скоростей и шпиндельным узлом; Б — хобот с подвесками; В — дополнительная связь консоли с хоботом; Г — поворотная часть стола; Д — поперечные салазки; Е — стол; Ж — консоль с коробкой подач; 3 — основание с резервуаром для охлаждающей жидкости.

Органы управления. 1 — рукоятка переключения коробки скоростей; 2 — рукоятка включения перебора шпинделя; 3 — рукоятка ручного продольного перемещения стола; 4 — рукоятка управления продольной подачей стола; 5 — рукоятка управления поперечной подачей; 6 — рукоятка управления вертикальной подачей; 7— рукоятка ручного вертикального перемещения стола; 8 — маховичок переключения коробки подач; 10 — рукоятка переключения перебора коробки подач.

Рисунок 1.1 - Общий вид горизонтально-фрезерного станка модели 6Р81

1.1 Технологические возможности станка

Фрезерование различных деталей сравнительно небольших размеров в основном цилиндрическими, дисковыми, угловыми, фасонными и модульными фрезами в условиях индивидуального и серийного производства. Наличие поворотного стола позволяет нарезать винтовые канавки при изготовлении косозубых колес, фрез, зенкеров, разверток и тому подобных деталей.

1.2 Способы установки заготовок на станке

Обрабатываемые детали закрепляются непосредственно на столе, в машинных тисках или специальных приспособлениях, устанавливаемых на столе станка.

1 — маховик; 2 — ходовой винт; 3, 4 — гайки; 5, 8 и 10— зубчатые колеса; 6 — вилка; 7 — муфта; 9 — стол; 11 — поворотная плита; 12 — сухари; 13 — салазки; 14 — червяк; 15 — винты; 16 — консоль; 17 — вал

Рисунок 1.2 - Стол универсального консольно-фрезерного станка:

Станочные приспособления используются для установки заготовок на столе, т. е. для ориентации заготовки относительно координатных осей и для надежного закрепления ее в этом положении.

а — тиски неповоротные (1), поворотные (2), специальные (3) и для круглых заготовок (4); б — угольники жесткий (5), поворотный (6) и специальный поворотный (7); в – прижимные планки; г — поворотный накладной стол

Рисунок 1.3 - Приспособление для закрепления заготовок на фрезерных станках

Для фрезерных станков характерно широкое применение таких универсальных приспособлений, как станочные тиски, столы, делительные головки и элементарные зажимные устройства (рисунок 1.3). В условиях серийного и массового производства применяют специальные приспособления для обработки конкретной заготовки или группы заготовок. В ряде случаев используют дополнительные устройства, расширяющие технологические возможности фрезерных станков: головки, изменяющие положение шпинделя, что позволяет работать фрезой с горизонтальной или вертикальной осью; головки, позволяющие долбить заготовку, вести копировальные работы на обычных фрезерных станках и т. п.

Станочные тиски могут иметь, кроме винтовых, зажимные элементы в виде эксцентриков, пневматических камер, гидравлических цилиндров, пружин, рычагов и т. п. Различают тиски неповоротные и поворотные относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Тиски обеспечивают надежное, быстрое закрепление заготовки при малых собственных размерах и высокой жесткости. Известны тиски с одной подвижной губкой, самоцентрирующие (с двумя подвижными губками), с “плавающими” губками и т. п. В ряде случаев применяют специальные губки, по форме зажимной поверхности для закрепления заготовок сложной формы (цилиндрических, для лопаток турбин и т. п.).

При необходимости делить заготовку на несколько равных частей применяют универсальную делительную головку. Делительная головка предназначена для разделения окружности заготовки на равные или неравные части, нарезания винтовых поверхностей различной крутизны и обработки некоторых типов кулачков. Крепление заготовки осуществляется в патроне, цанге или центрах.

Делительные головки бывают одно- и многошпиндельные, механические и оптические. Последние чаще применяют для контрольных операций. Все механические делительные головки разделяют на лимбовые и безлимбовые, а по принципу действия — на непосредственного, простого и дифференциального деления.

Головки непосредственного деления имеют на одном шпинделе патрон или центр для закрепления заготовки и делительный диск с нужным числом пазов или отверстий, в которые входит фиксатор. Здесь все погрешности делительного диска (по углу) передаются фрезеруемым поверхностям, поэтому эти головки применяют при широком поле, допуска на угол. Универсальные делительные головки позволяют осуществлять наиболее сложные фрезерные операции, включая обработку кулачков. Они обеспечивают поворот заготовки на любой угол, а шпиндель такой головки может занимать любое положение от горизонтального до вертикального, что позволяет нарезать канавки как на цилиндрической, так и на конической и торцовой поверхностях.

Простое деление на универсальной делительной головке (рисунок 4) отличается от непосредственного тем, что передача между заготовкой и делительным диском осуществляется через червячную пару, т. е. червяк с /с заходами и червячное колесо с z_ЧК зубьями. Червячное колесо сидит на шпинделе 1 головки, а червяк — на валу 2 с рукояткой 4, имеющей два движения — D и L. Движение D позволяет соединять рукоятку с делительным лимбом (диском) 5, на обоих торцах которого по ряду концентрических окружностей равномерно располагается определенное число отверстий (делений). Например, на одной стороне диска есть 16, 17, 19, 21, 23, 29, 30 и 31 отверстия, а на другой — 33, 37, 39, 41, 43, 47, 49 и 54 отверстия. В делительных головках червяк на валу 2 всегда однозаходный, т. е. k — 1, a z_ЧK = 40, 80 или 120. Отношение N — z_ЧK/k называют характеристикой делительной головки. Вал 3 используют в других случаях.

Один оборот рукоятки вызовет поворот заготовки на k/z_ЧК = 1/N. При нарезании зубчатого колеса надо сделать п_р оборотов рукоятки, т. е.

n_р = k/N = 1/z или п_р = N/z.

Рисунок 1.4 – Настройка делительной заготовки на простое деление

Дифференциальная настройка головки проводится при выключенном стопоре 6 (рисунок 1.4), ограничивающем подвижность лимба 5. Здесь (рисунок 1.5) вращение рукоятки 4 также передается (через червячную передачу) шпинделю 1, но одновременно будет вращаться и лимб 5 делительной головки. Вращение ему передается с левого конца шпинделя через гитару со сменными колесами и коническую передачу с i = 1. Отношение чисел зубьев сменных колес гитары i_г =(z_az_b1)/(z_a1z_b).

Настройка головки заключается в определении числа оборотов рукоятки (как и при простом делении) и от ношения зубьев колес гитары i_Г. Число оборотов рукоятки находят из известного соотношения, заменяя “неудобное” число зубьев близким к нему приближенным — z_np. В рассмотренном выше примере было N — 40; допустим, z = 53. Ясно, что сделать поворот на 40/53 по имеющимся дискам нельзя. Примем z_nр = 50; тогда n_р=N/z_пр=40/50.

Если воспользоваться окружностью с 30 отверстиями, то рукоятку нужно будет провернуть на 40/50=24/30 часть окружности, т. е. на 24 деления (отверстия). Следовательно, при каждом приеме деления на шпинделе будет возникать погрешность d_шп=(1/z -1/z_пр), а на рукоятке d_р=d_шпz_чк/k.

Можно компенсировать эту ошибку дополнительным поворотом лимба, не удерживаемого стопором. Эта компенсация должна произойти за период поворота на 1/z часть окружности, следовательно, 1/z·i_г·i=(1/z-1/z_пр)N, тогда i_г=N(z_пр-z)/z_пр

Рисунок 1.5 – Настройка делительной головки на дифференциальное деление

1.3 Способы закрепления режущего инструмента на станке

Насадные фрезы закрепляют на консольных или опорных оправках. Для поддержания шпиндельных оправок применяют хобот с центральной и концевой подвесками. Хвостовые фрезы закрепляют непосредственно в конусе шпинделя или цанговом патроне. Торцовые фрезерные головки устанавливают и закрепляют на торце шпинделя.

1.4 Мерительный инструмент

Штангенциркули – универсальный мерительный инструмент, предназначенный для измерения наружных и внутренних диаметров, длин, толщин, глубин и т.д. позволяющий получать отсчет дробный долей миллиметра;

Микрометры. Служат для измерения наружных размеров заготовок и резьбы с точностью 0.01 мм;

Микрометрические нутромеры (штихмасы). Служат для измерения внутренних размеров заготовок точностью 0.01 мм;

Калибры – бесшкальные измерительные инструменты, используемые для ограничения отклонений размеров, формы и взаимного расположения поверхностей: калибры-пробки, калибры-скобы, конусные калибры-пробки и калибры-втулки, резьбовые калибры;

2 Формообразование на станке

2.1 Методы получения производящих линий на станке

На металлорежущих станках производящая линия получается с помощью вспомогательных элементов, например, с помощью режущих кромок инструментов. Движения вспомогательных элементов, с помощью которых получаются производящие линии поверхностей, называются формообразующими и обозначаются символами Ф_υ – движение скорости резания, соответствующее обозначению D_г (главного движения) по ГОСТ 25762-83 и Ф_s – движение подачи, соответствующее обозначению D_s по ГОСТ 25762-83.

При фрезеровании плоской поверхности на станке направляющая производящая линия 1 (окружность) получается методом касания, реализуемого движением подачи Ф_υ(В₁).

Рисунок 2.1 – Метод касания

Образующая производящая линия 2 (прямая) получается методом копирования, реализуемого движением скорости подачи Ф_s(П₂). В итоге, для получения плоской поверхности в целом необходимо создать два движения формообразования Ф_υ(В₁) и Ф_s(П₂) .

Рисунок 2.2 – Метод копирования

Рисунок 2.3 - Формообразующие движения при фрезеровании

При фрезеровании резьбы фасонной фрезой (рисунок 2.4) образующая производящая линия 4, т.е. профиль резьбы, получается методом копирования, для реализации которого движения формообразования не нужны. Направляющая же производящая линия 2 (винтовая) получается методом касания, реализуемого двумя движениями формообразования: движением скорости резания Ф_υ (Ф₁ по рисунку 2.1), определяющего получение дуг окружностей от движения вершин зубьев (материальных точек) фрезы и движением подачи Ф_s (Ф₂ по рисунку 2.1), определяющее такое их расположение, которое соответствует получаемой винтовой линии 2.

Рисунок 2.4 – Схема нарезания резьбы на резьбофрезерном станке

Рассмотрим кинематическую группу, создающие формообразующие движения на примере фрезерования плоской поверхности.

Как уже было сказано, для получения плоской поверхности необходимы 2 формообразующих движения: движение скорости резания Ф_υ(В₁) и движение подачи Ф_s(П₂). Вращательное движение Ф_υ(В₁) получается с помощью кинематической пары 3–4 (шпиндель - опоры качения), поступательное Ф_s(П₂) - с помощью кинематической пары 7–8 (стол – салазки). Для получения исполнительного движения необходим также источник движения в виде двух электродвигателей М₁ и М₂ для движения скорости резания и для движения подачи стола соответственно.

Для соединения источника движения М₁ с внутренней связью, скорости резания, имеется внешняя связь 1−2. Внешняя связь обеспечивает скорость резания. Для соединения источника движения М₂ с внутренней связью, скорости подачи, имеется внешняя связь 5−6. Внешняя связь обеспечивает скорость подачи.

Рисунок 2.5 – Кинематические группы станка при фрезеровании

2.2 Составление кинематической структуры станка

Плоскую поверхность образуют две производящие линии: окружность и прямая. Окружность (направляющая производящая линия) получается методом касания реализуемого движением скорости резания Ф_v(В₁), где В₁ – вращение шпинделя с фрезой. Прямая линия (образующая производящая линия) получается методом копирования, реализуемого движением подачи Ф_s(П₂) – перемещение стола с заготовкой. Таким образом, кинематическая структура станка Э22, т.е. элементарная, состоит из двух групп, обе простые, как создающие одноэлементарные исполнительные движения.

Наносим схему обработки и элементарные движения В₁ и П₂ (рисунок 1).

На схеме условно показывается закрепление детали (на столе станка) и фрезы в шпинделе с учетом обеспечения последующего движения врезания (поперечное перемещение). Далее наносится внутренняя связь 3 – 4 (шпиндель – опоры шпиндельной бабки) кинематической группы, создающей движение скорости резания Ф_v(В₁), внешняя связь с органом настройки i_v и источник движения – электродвигатель М₁. Внешняя связь, как правило, содержит реверсивное устройство Р₁.

Внутренняя связь кинематической группы, создающей движение подачи Ф_s(П₂), представляет собой кинематическую пару скольжения 7 – 8 (стол – салазки), аналогично для осей y и z. Внешняя связь с органом настройки i_s и источник движения – электродвигатель М₂. Органом настройки является коробка подач i_s. В цепи 7 – 8 применяется реверсивное устройство Р₂, аналогично для осей y и z Р₃, Р₄.

На станке имеет место движение врезания Вр(П₄) – вертикальное перемещение консоли относительно салазок.

Движение деления на фрезерном станке при точении осуществляется через длительную головку, которая имеет связь с рабочим столом, через гитару сменных колес.

Рисунок 2.6 - Кинематическая структура станка при фрезеровании

2.3 Компоновка станка

Компоновочная формула: XYZOС_h , где С_h –горизонтальный шпиндель, О – стационарный блок – станина, Z - консоль, Х – стол, Y – салазки.

Рисунок 2.7 – Компоновка фрезерного станка модели 6Р81

2.4 Анализ кинематической структуры станка

2.4.1 Кинематическая группа, создающая движение скорости резания Ф_υ (В₁)

2.4.1.1 Настройка траектории (окружность). Не осуществляется, т.к. обеспечивается внутренней связью шпиндель – опоры качения.

2.4.1.2 Настройка скорости резания

УН: . (2.1)

УКБ: . (2.2)

, (2.3)

где - передаточное отношение органа настройки на скорость резания – коробки скоростей.

- передаточное отношение реверсивного механизма

2.4.1.3 Настройка направления. Осуществляется реверсивным устройством Р₁

2.4.1.4 Настройка на путь и исходное положение. Не осуществляется.

2.4.2 Кинематическая группа, создающая движение скорости подачи Ф_s(П₂)

2.4.2.1 Настройка траектории (прямая линия). Не осуществляется, т.к. обеспечивается внутренней связью суппорт – направляющие станины.

2.4.2.2 Настройка скорости подачи

УН: . (2.6)

УКБ: . (2.7)

, (2.8)

где - передаточное отношение реверсивного механизма;

- передаточное отношение органа настройки на скорость подачи – коробки подач;

- шаг ходового винта.

2.4.2.3 Настройка направления. Осуществляется реверсивным устройством Р₁.

2.4.2.4 Настройка на путь и исходное положение. Осуществляется оператором визуально по лимбу.

3 Обоснование технической характеристики станка

3.1 Целью данного этапа является определение диапазона регулирования частот вращения шпинделя D

, (3.1)

где - максимальная частота вращения шпинделя;

- минимальная частота вращения шпинделя.

Для нахождения минимальной и максимальной частот вращения определим необходимые для реализации процесса резания частоты вращения шпинделя при фрезеровании (черновом и чистовом), торцовой, дисковой и концевой фрезами, а также найдем требуемую для этого мощность.

3.2 Фрезерование черновое торцовой фрезой D=100мм

Диаметр фрезы:

Глубина и ширина фрезерования:

Определяем S_Z по таблице 76 [1, с. 403]

S_Z =0,12 мм/зуб

Скорость резания – окружная скорость фрезы:

(3.2)

Значение коэффициента и показателей степени приведены в таблице 81 [1, с. 407], а период стойкости Т – в таблице 82 [1, с. 411]

,,,,,,,Т = 240 мин

Коэффициент является произведением коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки (определяется по таблицам 1-4 [1, с.359-360]) , состояния поверхности (по таблицам 5 [1, с.361]), материала инструмента (по таблицам 6 [1, с.361]).

(3.3)

где - коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала;

- коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки;

- коэффициент, учитывающий качество материала инструмента.

Частота вращения:

(3.4)

Сила резания. Главная составляющая силы резания при фрезеровании – окружная сила:

(3.5)

Значение коэффициента и показателей степени приведены в таблице 83 [1, с. 412], поправочный коэффициент на качество обрабатываемого материала в таблице 9 [1, с. 362].

(3.6)

Мощность резания.

(3.7)

3.3 Фрезерование черновое дисковой фрезой

Диаметр фрезы:

Глубина и ширина фрезерования:

Определяем S_Z по таблице 76 [1, с. 403]

S_Z =0,12 мм/зуб

Скорость резания – окружная скорость фрезы:

,,,,,,,Т = 180 мин

Частота вращения:

Сила резания.

Мощность резания.

3.4 Фрезерование концевой фрезой

Диаметр фрезы:

Глубина и ширина фрезерования:

Определяем S_Z по таблице 76 [1, с. 403]

S_Z =0,05 мм/зуб

Скорость резания – окружная скорость фрезы:

,,,,,,,Т = 80 мин

Частота вращения:

Сила резания.

Мощность резания.

Из найденных значений частот сращения шпинделя выбираем минимальную и максимальную частоты. Для расширения технологических возможностей станка примем минимальную частоту вращения шпинделя n_min=70 об/мин, максимальную частоту возьмем из расчета, n_max=923 об/мин.

4 Кинематический расчет привода главного движения

4.1 Определение числа скоростей привода главного движения

Частоты вращения шпинделя образуют отрезок геометрического ряда со знаменателем φ. Число ступеней частот – z.

Число ступеней частоты вращения шпинделя определяется по формуле

(4.1)

где φ – знаменатель геометрического ряда, равный для фрезерных станков 1,41.

Определим значения частот вращения шпинделя

об/мин;

4.2 Построение графика частот вращения

Для возможности передачи шпинделю 9-ти частот вращений примем привод главного движения со сложенной структурой, так как использование множительной структуры не позволяет реализовать коробку скоростей с 9-ю скоростями. Сложенная структура получается из двух определенным образом соединенных структур с последовательно соединенными групповыми передачами. Первая структура называется основной, вторая – дополнительной. Структурная формула привода главного будет иметь вид

Исходя из структурной формулы построим структурную сетку. Вертикальными линиями обозначим валы привода, горизонтальными – частоты вращения шпинделя. Точки пересечения вертикальных линий с горизонтальными соответствуют частотам вращения валов, представленным в логарифмическом масштабе. Луч с наклоном вверх изображает повышающую передачу, луч с наклонно вниз – понижающую, горизонтальный луч – передачу с передаточным отношением, равным 1. Параллельные лучи изображают одну и ту же передачу. Для обеспечения приемлемых радиальных размеров коробок скоростей вводя ограничения на передаточные отношения передач , т.е для φ=1,41 луч, изображающий передаточное отношение передачи, может опускаться вниз максимум на 6 интервалов и подыматься вверх на 2.

Рисунок 4.1 – Структурная сетка основной группы

Опираясь на кинематическую схему привода главного движения станка-аналога и используя структурную сетку построим кинематическую схему. Так как числа зубьев зубчатых колес пока неизвестны, все зубчатые колеса на кинематической схеме изобразим одинакового размера.