Проектирование токарно-винторезного станка

Министерство образования Республики Беларусь

Кафедра «Технология и оборудование

машиностроительного производства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

на тему: «Проектирование токарно-винторезного станка»

 

 

 

Содержание

 

Аннотация

Введение

1. Литературный и патентный обзор станков, аналогичных проектируемому

2. Синтез и описание кинематической  структуры станка

3. Определение технических характеристик станка

4. Выбор и описание компоновки станка

5. Проектирование и описание кинематической схемы станка

6. Динамические, прочностные и другие необходимые расчёты проектируемых узлов

7. Расчет цилиндрической закрытой передачи

8. Прочностной расчет зубчатых передач

9. Расчет ременной передачи

10. Предварительный расчёт валов

11. Расчет шпоночного соединения ременной передачи

12. Расчет шпоночного соединения вала с зубчатым колесом

13. Расчет подшипников для вала 1 коробки

14. Описание конструкции спроектированных узлов

15. Описание системы смазки спроектированных узлов

16. Описание системы управления станком

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

Аннотация

 

Данный курсовой проект был разработан студентом пятого курса машиностроительного факультета, группы 06-ТОМ. Было предложено спроектировать токарно-винторезный станок, по следующим данным:

  • класс точности – нормальный;
  • наибольший диаметр обрабатываемой заготовки – 400 мм.;
  • наибольшая длина обрабатываемой заготовки – 210 мм.;
  • материал обрабатываемых изделий – сталь-чугун, цветные сплавы;

Курсовой проект содержит:

  • пояснительную записку, из 45 листов, в которой было рассмотрено:

а) определение основных технических характеристик станка; б) проектирование кинематики станка, выбор компоновки; в) динамические и прочностные расчёты узлов, разрабатываемых конструктивно; г) описание структурной и кинематических схем, настройки станка; д) описание конструкции спроектированных узлов и систем станка;

  • графический материал, содержащий четыре листа формата А1: кинематическая схема станка, развёртка привода главного движения, свёртка провода главного движения и фартук;
  • спецификация привода главного движения;

 

токарный станок узел динамический

 

Введение

 

Курсовое проектирование металлорежущих станков является важным этапом в подготовке инженеров механиков по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты», и преследует цель научить студента правильно использовать в практической конструкторской работе полученные теоретические знания, развить навыки и применения вычислительной техники при проектировании.

В данном курсовом проекте предстоит спроектировать токарно-винторезный станок. Данный тип станка является универсальным. Назначение станка – наружное и внутреннее точение, нарезание правой и левой метрической, дюймовой, модульной и питчевой резьб, одно- и многопроходных резьб с нормальным и увеличенным шагом, торцевой резьбы и т.д. Станок применяется в единичном и мелкосерийном производстве.

Основные задачи, решаемые при выполнение при выполнение проекта, включают изучение и анализ существующих аналогичных решений, обоснование выполняемых разработок на всех этапах проектирования, в том числе на разработку оригинальных конструкций. При этом предлагается максимальное использование справочной литературы, ГОСТов, типовых решений и вычислительной техники.

 

 

 

1. Литературный и патентный обзор станков, аналогичных

проектируемому

 

№ п/п

Автор, название

Источник

Класс МКИ

1.

Токарный станок

Braun Hans-Dietoe; Mashinenfabrik Berthold Hermle AG -№95104209.61

Заявлено 10.03.98, опубл. 15.09.99

«Технология машиностроения»

2000г. Т.2

В23 В3/06

2.

Токарный станок

Werkzeugmashine; Jlg Herbert

№19715000.4 – Заявка. Германия

Заявк. 11.04..97 Опубл. 22.10.98

«Технология машиностроения»

2000г. Т.2

В23 В3/06

3.

Токарный станок

Braun Udo; Mashinenfabrik Berthold Hermle

Заявка №981042104

Заявлено 10.03.98, опубл. 13.10.99

«Технология машиностроения»

2000г. Т.4

В23 В7/02

4.

Токарный станок

Tomas Volker, Harzbecker Christian,

Заявка №19740208.9 Германия

Заявлено 12.09.97 Опубликовано 25.03.99

«Технология машиностроения»

2000г. Т.4

В23 Q5/40

5.

Токарный станок

Hagstrom Allan; Quantax Machine

Заявка №00850046.4

Заявлена 16.06.2000 Опубликовано 20.09.2000

«Технология машиностроения»

2000г. Т.1

В23 В1Æ100

В23 В3/06

6.

Токарный станок

Yamazaki Mazak, Fukumura Sadami

Пат. 6457391 США

«Технология машиностроения»

2003г. Т.6

В23 В35/00

7.

Устройство для ротационной обработки отверстий.

Бурский В.А.; Бел. оптико-механич. Оборудование(Бел ОМО)

№19990539 Беларусь

«Технология машиностроения»

2002г. Т.2

 В23 В35/00

8.

Устройство для сверления радиальный отверстий на токарном станке

Monnet Thierr; Заявка 2804890 Франция.

Заявлено 14.02.2000 Опубликовано 17.08.2001

«Технология машиностроения»

2002г. Т.2

В23 В43/02

В23 В5/14


 

00.02-14А.200П Токарный станок. Заявка 0941790 ЕПВ, МПК6 В23 В3/06 /Braun Hans-Dietoe; Mashinenfabrik Berthold Hermle AG -№95104209.61

Патентуальный станок предназначен для 5-координатной обработки вращающимся и не вращающимся инструментом сложных деталей из пруткового материала. На продольных направляющих станины установлен суппорт, на котором располагаются два суппорта. На одном суппорте смонтирована револьверная головка, а на другом выполнены вертикальные направляющие под вертикальный суппорт. На последнем через поворотное устройство установлена шпиндельная головка с приводом для приводного инструмента. Бабка изделия смонтирована на станине на поворотном вокруг вертикальной оси устройстве. Рядам с ней располагается пиноль откидной задней бабки с центрам. На станке смонтирован магазин системы автоматической смены приводного инструмента.

01.01.-14А 209П Токарный станок. Заявка 1036617 ЕПВ, МПК7 В23 В1/00, В23 В3/06. Quantax Machine Tools AB, Hagstrom Allan(Karllson, Leif Karl Gunnar) №00850046.4

Предложен способ обработки для образования на детали поверхности, которая в сечение, проходящее через ось Y, вокруг которой деталь вращается в процессе обработки, имеет профиль с варьируемым расстоянием r до оси Y, причём варьирование величины r больше, чем разность между радиальными расстояниями до концевых точек профиля. В токарном станке по этому способу инструменту сообщается перемещение вдоль первой линии посредствам первого приводного устройства и вдоль второй линии посредствам второго приводного устройства. При таком способе обработки исключаются дефекты, которые обычно возникают на поверхности при изменении направлении, требуемого при точении такой поверхности. В соответствии с таким способом линии первого и второго перемещений и ось вращения Y взаимно ориентированы так, что перемещение инструмента приводимыми устройствами осуществляются однонаправлено.

01.09-14А.214П Устройство для ротационной обработки отверстий. Патент 3801 Беларусь, МПК7, В23 В35/00. Бел. оптико-механич. Оборудование Бурский В.А. №19990539.

Предложенное устройство включают корпус, первый и второй ротационные режущие инструменты, установленные на подшипниках с возможностью вращения. Оба режущих элементов установлены на общей оси в цилиндрической втулке, размещённой в корпусе, выполненном в виде вилки, охватывающий цилиндрическую втулку, с возможностью поворота посредством осей, жестко соединённых с цилиндрической втулкой, и фиксация. Расстояние от торцовой плоскости первого режущего элемента, снимающего припуск на чистовую обработку, до осей на величину снимаемого вторым режущим элементом припуска. Передняя поверхность первого режущего элемента выполнена выпуклообразной замкнутой треугольного профиля, а на передней поверхности второго режущего элемента выполнены рифления.

Технологические возможности проектируемого типа станков.

Операции, выполняемые на токарно-винторезном станке и соответствующие им методы формообразования:

 

№ п/п

Операция

Схема резания

Метод формообразования

Формообразующие движения

Инстр-умент

экономии-ческие параметры обработки

Предельные режимы резания

Образующие

Направляющие

Точность

Шерохова-тость

Скорость

Подача

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1.

Обтачивание наружное продольное

След

След

ФV(B1)

ФS(П2)

Резец проход-ной прямой

12-14 квалитет

Ra 6,3-12,5

107-330 м/мин

0,13-1,0 мм/ об

2.

Обтачивание наружное конических поверхностей

След

След

ФV(B1)

ФS(П2)

Резец проходной широкий

12-14 квалитет

Ra 6,3-12,5

107-330 м/мин

0,13-1,0 мм/ об

3.

Обтачивание торцов и уступов

След

След

ФV(B1)

ФS(П2)

ФS(П3)

Резец проходной отогнутый

    

18-64 м/мин

0,08-1,0 мм/об

4.

Прорезание конавок и отрезание

След

След

ФV(B1)

ФS(П2)

ФS(П3)

Резец прорезной или обрезной

    

47-131 м/мин

0,36-1,0 мм/об

5.

Растачивание отверстий

След

След

ФV(B1)

ФS(П2)

Расточные резцы

14-17 кв

8-11 кв

Rz 320-40

Rz 40-1,25

150-319 м/мин

0,13-0,4 мм/об

6.

Сверление зенкерование отв.

След

След

ФV(B1)

ФS(П2)

Сверло, зенкер, развёртка

11 кв

10-11 кв

6-9 к в

Ra6,3-12,5

Rz 40

Ra2,5-0,32

18-55 м/мин

10-43 м/мин

12м/с

0,05-0,5

0,2-2

0,5-0,25

7.

Нарезани наружн. и внутр. резьбы

резцами

Копир

Обкат

ФV(B1)

ФS(П2)

Резцы резьбовые

        

8.

Фасонное обтачивание

Копир.

След

ФV(B1)

ФS(П2)

Фасонный резец

12-6 кв.

Rz 160-10

18-31 м/мин

0,03-0,09


 

 

Основные технические характеристики токарных станков, близких по типоразмеру:

 

Параметры

1К62

16К20

16К25

Наибольший диаметр устанавливае-мой над станиной, в мм.

400

400

500

Расстояние между центрами, в мм.

710,1000,1400

710,1000,1400, 2000

710,1000,1400,2000

Диаметр отверстия шпинделя

47

53

53

Число скоростей шпинделя

23

22

22

Частота вращения шпинделя об/мин

12,5-2000

12,5-1600

12,5-1600

Число ступеней подач

42

24

-

Подачи на один оборот, в мм:

      

  продольные

0,07-4,16

0,05-2,8

0,05-2,8

  поперечные

0,035-2,08

0,025-1,4

0,025-1,4

Шаг нарезаемой резьбы:

      

  метрической, в мм.

1-192

0,5-112

0,5-112

  дюймовой(число ниток на 1//)

2-24

0,5-56

0,5-56

  модульная, в мм.

(0,5-48)p

0,5-112

0,5-112

Мощность электродвигателя в кВт

10

11

11


 

В качестве станка-прототипа выбираю токарно-винторезный станок 1К62 исходя из анализа его кинематики и технических характеристик.

 

 

 

2. Синтез и описание кинематической структуры станка

 

Структурная схема станка

 

Формообразование обеспечивается вращательным движением заготовки (В1) по цепи: электродвигатель – шпиндель со звеном настройки iv и поступательным движением инструмента (П2 и П3) по цепи: шпиндель – ходовой вал (при точении) или шпиндель – ходовой винт (при нарезании резьбы) со звеном настройки ir,для обработки конической поверхности используется звено настройки iα

Главным движение в станке является вращение шпинделя, которое он получает от электродвигателя через клиноременную передачу со шкивами и коробку скоростей.

 

3. Определение технических характеристик станка

 

Определение предельных расчётных диаметров:

Для вычисления предельных значений частоты вращения шпинделя необходимо определить предельные расчётные диаметры Dmax и Dmin:

 

для токарных станков:

 

Dmax=1,12×D

Dmin=(0,1-0,3)× Dmax

 

D – максимальный диаметр над станиной

Dmax=0,2×1450=1624 мм

Dmin=0,2×1450=290 мм

Определение режимов резания.

Определим режимы резания для трёх операций, выполняемых на токарно-винторезном станке:

  1. Продольное точение проходным резцом

Максимальная глубина резания соответствует черновой обработке и по возможности принимается равной всему припуску на обработку или большей его части.

Минимальная глубина резания относится к чистовой обработке.

Выбираем резец с сечением державки 16х25 мм.

Материал режущей части – твёрдый сплав.

tmax=8 мм

tmin=0,2 мм

Максимальная подача для токарных станков соответствует черновому точению жестких заготовок из наиболее легко обрабатываемого материала.

Минимальная подача – чистовому точению:

Smax=1,8 мм/об

Smin=0,48 мм/об (при r=0,5)

Скорость резания:

 

 м/мин

 

 м/мин

Предельные значения частоты вращения шпинделя определяются по формулам:

  об/мин

  об/мин

  1. Прорезание канавки и отрезание:

Smax=0,37 мм/об

Smin=0,1 мм/об

 

 

 м/мин

 м/мин

 об/мин

 об/мин

  1. Растачивание отверстий:

tmax=5 мм tmin=0,2 мм

Smax=0,4 мм/об

Smin=0,13 мм/об

 

 

 

где K=0,9 – поправочный коэффициент при растачивании

 м/мин

 м/мин

 об/мин

 об/мин

 

4. Выбор и описание компоновки станка

 

Компоновка станка в значительной степени влияет на технико-экономические показатели. От компоновки зависит жёсткость конструкции, тепловой баланс и температурная деформация, универсальность станка и его переналаживаемость, металлоёмкость, трудоёмкость изготовления, сборки, ремонтопригодность.

Прототипом проектируемого станка является токарно-винторезный станок модели 1К62, поэтому выбираем аналогичную компоновку проектируемого станка.

Станина станка установлена на передней и задней тумбах, несёт на себе все основные узлы. Слева на станине размещена передняя бабка. В ней имеется коробка скоростей со шпинделем, на переднем конце которого закреплён патрон. Справа установлена задняя бабка. Её можно перемещать вдоль направляющих станины и закреплять в зависимости от длины деталь на требуемое расстояние от передней бабки. Режущий инструмент (резцы) закрепляют в резцедержателе суппорта.

Продольная и поперечная подачи суппорта осуществляется с помощью механизмов, расположенных в фартуке и получающих вращение от ходового вала или ходового винта. Первый используют при точении, второй – при нарезании резьбы. Величину подачи суппорта устанавливают настройкой коробки подач. В нижней части станины имеется корыто, куда собирается стружка и стекает охлаждающая жидкость.

 

Рис.1 – Схема компоновки токарно-винторезного станка

 

Для схемы структурная формула имеет вид: COZXWR.

Достоинства: из-за подвижности только одного узла, система обладает высокой жесткостью; обеспечивает высокое качество обработки при небольших скоростях резания.

 

5. Проектирование и описание кинематической схемы станка

 

Кинематический расчёт привода главного движения

  1. Диапазон регулирования частот вращения шпинделя:

 

 

Число ступеней скорости шпинделя:

 

 

j - знаменатель геометрического ряда частот вращения. Для универсальных станков рекомендуется j=1,26 и j=1,41.

Принимаю j=1,26

Число ступеней не может быть дробным, поэтому, для обеспечения возможности регулирования скорости вращения во всем диапазоне частот, и принимая во внимание что привод лучше реализовывать используя двух и трех венцовые блоки то принимается  z=18.

  1. Выбираем стандартный ряд частот вращения:

50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 230; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1230; 1600; 2000; 2500.

Уточняем значение диапазона регулирования:

  1. Определяем тип структуры привода:

при , где в приводах главного движения С = 8 для прямозубых колёс - условие выполняется, следовательно, структура привода простая.

  1. Определяем число групп переключения и порядок расположения и переключения и порядок расположения и переключения групп:

Для Z=18 принимаю 3 группы: Z=3×3×2

Р1=Р0=3

Р2=Р1=3

Р3=Р2=2

Формула структуры привода:

3(1)×3(3)×2(9)

Осуществимость принятого варианта структуры привода по диапазону регулирования группы проверяем для последней в порядке переключения группы по условию:

 

 

- условие выполняется

  1. Структурная сетка

Z=3(1)×3(3)×2(9)

 

 

 

6. График частот вращения

 

Кинематическая схема привода главного движения

 

  1. Расчёт параметров кинематической цепи

Привод главного движения

  • Определение численных значений передаточных отношений:

    •             

            

    Определяем число зубьев для данных передач коробки скоростей

    Для Р1:

     

       

     

        

        

        

    Число зубьев недопустимо малы, т.к. Zmin≥18¸20, поэтому увеличим их в 4 раза:

      

      

      

     

    Для Р2:

     

       

     

         

        

        

    Увеличим числа зубьев в 2 раза:

      

      

      

    Для Р3:

     

     

         

        

    Увеличим числа зубьев в 6 раз:

     

      

      

     

    9. Определяем фактический ряд чисел частот вращения и сравниваем его со стандартным рядом:

    Dдоп=(j-1)×10=(1,26-1)×10=2,6%

     

     

    ni

    Уравнение кинематической цепи УКЦ

    Число n

    Di, %

    фактическое

    стандартное

    n1

    51,3

    50

    2,6

    n2

    64,2

    63

    1,9

    n3

    81,6

    80

    2,0

    n4

    99,1

    100

    0,9

    n5

    124,6

    125

    0,3

    n6

    156,8

    160

    2,0

    n7

    195,7

    200

    2,1

    n8

    244,8

    250

    2,0

    n9

    309

    315

    1,9

    n10

    408,4

    400

    2,1

    n11

    516,2

    500

    3,2

    n12

    642,8

    630

    2,0

    n13

    793

    800

    0,8

    n14

    997

    1000

    0,3

    n15

    1246

    1230

    1,3

    n16

    1558

    1600

    2,6

    n17

    1958,4

    2000

    2,0

    n18

    2448

    2500

    2,0


     

    В результате проверочных расчётов фактическое значение n не намного расходится от стандартного.

     

    6. Динамические, прочностные и другие необходимые расчёты

    проектируемых узлов

     

    1. Частота вращения на валах

    nI=nдв=1460 мин-1

    nII=1000 мин-1

    nIII=1000 мин-1

    nIV=630 мин-1

    nV=160 мин-1

    Угловые скорости на валах привода

     с-1

     с-1

     с-1

     с-1

     с-1

    Определяем мощности на валах:

    РI =11000 Вт

    РII = РI ·hпод· ηцил ·hрем = 11000 ·0,99·0,98·0,97 = 10350Вт

    РIII = РII ·hпод· ηцил = 10350·0,99·0,98= 10040 Вт

    РIV = РIII·hпод· ηцил =10040·0,99·0,98= 9740 Вт

    РV = РIV·hпод· ηцил =9740·0,99·0,98= 9450Вт

    где ηпод=0,99 – КПД пары подшипников

    ηцил=0,98 – КПД цилиндрической прямозубой передачи

    ηр.п=0,98 – КПД ременной передачи

    Определяем передаваемые крутящие моменты:

    ТI=РI/ωI=11000/152,8=71,99 Н∙м

    ТII=РII/ωII=10350/104,7=98,85 Н∙м

    ТIII=РIII/ωIII=10040/104,7=95,89 Н∙м

    ТIV=РIV/ωIV=9740/65,94=147,7 Н∙м

    ТV=РV/ωV=9450/16,7=565,86 Н∙м

     

    7. Расчет цилиндрической закрытой передачи

     

    Выбор материала шестерни и зубчатого колеса:

    а) шестерня:

    • материал - сталь 40Х
    • твердость – HB1 = 280
    • σв1 = 750 МПа
    • σТ1 = 520 МПа

    б) зубчатое колесо:

    • материал - сталь 55
    • твердость – HB2 = 260
    • σв2 = 680 МПа
    • σТ2 = 380 МПа

    Условие выбора материала: HB1 = HB2 + (20 ÷ 40)

       280 = 260 +20

    Расчет допускаемых контактных напряжений:

    Базовое число циклов ( рис.4.1.3, [1]):

     

    Эквивалентное число циклов:

     

    где - продолжительность работы передачи, час; с=1- число зацеплений.

    KНЕ=13·0,6+0,63·0,4=0,6864-коэффициент, учитывающий изменение нагрузки передачи в соответствии с циклограммой .

    Коэффициент долговечности:

     

     

     

    Предел контактной выносливости

    Для HB1(2) ≤ 350 и способе термообработки – улучшение:

    Таким образом, допускаемые контактные напряжения:

    Проектирование токарно-винторезного станка