Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектирование токарного станка с ЧПУ на базе модели 16К20Ф3

Введение

Данная работа предполагает проектирование токарного станка-аналога на базе станка 16К20ФЗ. Проектируемый станок должен отвечать всем требованиям современного станкостроения, основными из которых являются:

повышение производительности станка путем интенсификации режимов обработки и сокращения вспомогательного времени;
повышение точности обработки и формообразования
жесткость
прочность
виброустойчивость
теплостойкость
высокий КПД главных и вспомогательных механизмов (приводов).

Высокую производительность процесса обработки станок обеспечивает за счет быстроходности, мощности и автоматизации. Устройство числового программного управления позволяет повысить мобильность производства и точность, а также автоматически устанавливать необходимые режимы обработки с учетом изменяющихся условий.

1. Общее описание токарного станка

Токарно-винторезный станок16К20Ф3 с устройством ЧПУ NC-202 оснащен главным приводом Hyundai N300 и двумя приводами подач HA-075 по осям Z и X. Дополнительной особенностью данного станка является оснащение его приводом Delta VFD007 выполняющим функцию зажима-разжима пиноли, патрона и управление головой резцедержки. Он предназначен для токарной обработки в автоматическом режиме наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем различной сложности по заранее составленной управляющей программе. Область применения станка: мелкосерийное и серийное производство.

Особенности конструкции:

-высокопрочная станина выполненная литьем из чугуна марки СЧ20 с термообработанными шлифованными направляющими обеспечивают длительный срок службы и повышенную точность обработки. Станина станка имеет коробчатую форму с поперечными ребрами П-образного профиля, закаленные шлифованные направляющие. На станине устанавливаются шпиндельная бабка, каретка, привод продольной подачи и задняя бабка. Для базирования каретки на станине передняя направляющая имеет форму неравнобокой призмы, задняя направляющая— плоская. Задняя бабка базируется на станине по малой задней призматической направляющей и по плоскости — на передней направляющей.

-привод главного движения, включающий главный двигатель 11 кВт и шпиндельную бабку обеспечивает наибольший крутящий момент до 800 Нм

-Привод продольного перемещения. Привод продольного перемещения включает шариковую передачу винт—гайка качения, опоры винта, приводной электродвигатель постоянного тока с редуктором или асинхронный двигатель с частотным регулированием и редуктором, а также датчик обратной связи, который соединен с винтом через муфту. Выбор зазора в зубчатом зацеплении редуктора производится перемещением переходной плиты с электродвигателем при помощи поворота эксцентрика.

- Привод поперечного перемещения включает шариковую передачу винт—гайка качения, опору винта, приводной электродвигатель постоянного тока или асинхронный с частотным регулированием, датчик обратной связи, соединенный с типом через муфту.

-высокоточный шпиндель с отверстием 55 мм (по заказу 64 мм), позволяющий обрабатывать детали из пруткового материала зона обработки может быть оснащена как линейной наладкой, так и револьверной головкой, в зависимости от требований

-На станке 16К20ФЗ используется автоматическая универсальная 6 - позиционная головка. Головки оснащены инструментальным диском на шесть радиальных или три осевых инструмента (6 - позиционная головка).

Заднее ограждение неподвижное щитового типа со съемными щитками с задней стороны станка и переднее ограждение - подвижное с прозрачным экраном для наблюдения, закрывает зону резания

-надежная защита шарико-винтовых пар обеспечивает долговечность работы механизмов перемещения по координатам X и Z станок оснащается системами ЧПУ и электроприводами, как отечественного производства, так и производства зарубежных фирм

-Основание станка. Основание станка представляет собой жесткую отливку, на которой устанавливаются станина, электродвигатель главного движения.

Кинематика станка. Главное движение – вращение шпинделя. Вращение шпинделю сообщается от частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя с постоянной мощностью 20-2500 об/мин.

Передача вращения шпинделю осуществляется через клиновой ремень 2240Л20 с передаточным отношением 1:2,5, т.е. Æ200/Æ280. Далее возможен вариант: через зубчатую передачу 40/54 с I на III вал и передачу 65/43 на шпиндель IV.

Технические характеристики токарно-винторезного станка 16К20Ф3 с ЧПУ NC-202.

Наименование параметров	Ед.изм.	Величины
Наибольший диаметр изделия, устанавливаемого над станиной	мм	500
Наибольший диаметр изделия, обрабатываемой над станиной	мм	320
Наибольший диаметр обрабатываемого изделия над суппортом	мм	200
Наибольшая длина устанавливаемого изделия в центрах	мм	1000
Диаметр цилиндрического отверстия в шпинделе	мм	55
Наибольший ход суппорта поперечный	мм	210
Наибольший ход суппорта продольный	мм	905
Максимальная рекомендуемая скорость рабочей продольной подачи	мм/мин	2000
Максимальная рекомендуемая скорость рабочей поперечной подачи	мм/мин	1000
Количество управляемых координат		2
Количество одновременно управляемых координат		2
Точность позиционирования	мм	0,01
Повторяемость	мм	0,003
Диапазон частот вращения шпинделя	1/об.	20...2500
Максимальная скорость быстрых продольных перемещений	м/мин	15
Максимальная скорость быстрых поперечных перемещений	м/мин	7,5
Количество позиций инструментальной головки		6
Мощность привода главного движения	кВт	11
Суммарная потребляемая мощность	кВт	кВт
Габаритные размеры станка	мм	3700х2260х1650
Масса станка (без транспортера стружкоудаления)	кг	4000

Разработка технического задания на проектирование станка

Область применения станка и тип производства.

Проектируемый станок предназначен для обработки в замкнутом полуавтоматическом цикле деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем, включая нарезание крепежных резьб. Станок-аналог оснащен устройством ЧПУ с вводом программы обработки изделия с клавиатуры, магнитной кассеты или с перфоленты.

Класс точности станка «Н», область применения - индивидуальное, мелкосерийное и серийное производство с мелкими повторяющимися партиями деталей.

Наладка станка является одним из ответственных этапов его эксплуатации. Правильная наладка способствует повышению производительности труда, качества продукции и сохранению долговечности оборудования.

Наладка — подготовка технологического оборудования и технологической оснастки к выполнению технологической операции.

Подналадка — дополнительная регулировка технологического оборудования и (или) технологической оснастки при выполнении технологической операции для восстановления достигнутых при наладке значений параметров. Под наладкой следует понимать большой комплекс действий, направленных на подготовку, как нового, так и находящегося в эксплуатации станка к работе и на поддержание его в работоспособном состоянии. Сокращение времени наладки особенно важно в связи с расширением области использования станков с ЧПУ в мелкосерийном производстве.

Наладка станка с ЧПУ включает в себя подготовку режущего инструмента и технологической оснастки, размещение рабочих органов станка в исходном для работы положении, пробную обработку первой детали, внесение корректив в положение инструмента и режим обработки, исправление погрешностей и недочетов в управляющей программе.

В единичном и мелкосерийном производстве, когда требуемая точность обработки достигается методом пробных ходов и измерений, задачами наладки являются:

Установка приспособления и режущих инструментов в положения, обеспечивающие наивыгоднейшие условия обработки (высокая производительность обработки и стойкость режущего инструмента, требуемое качество обрабатываемой поверхности и хорошие условия стружкообразования);

Установка режимов работы станка.

Расчёт режимов резания

Наибольший диаметр обработки D_max=500мм;

Высота центров H=D_max/1.25=400 мм;

Принимаем по ГОСТ 440-57 Н=400 мм;

Наименьший диаметр обработки D_min=D_max/5...6=80…100 мм; Принимаем D_min=80 мм.

Предельный припуск на обработку

0.75- С_t-коэффициент зависящий от материала и вида заготовки (С_t=0.6 для чугунов и бронз, С_t=0.7-0.8 для стальных заготовок).

Предельная подача

Наибольшая и наименьшая частоты вращения шпинделя:

При V_max= 800м/мин V_min=30м/мин

n_max=1000Vmax/πDmin=1000*800/3,14*80=3185 об/мин Принимаем 3000об/мин

n_min=1000 V_min /πD_max= 1000*30/3,14*500=19об/мин. Принимаем 20об/мин

Скорость холостых ходов V_x=6м/мин

Диапозон регулирования привода

Число ступеней частот вращения двигателя

Число ступеней частот вращения коробки скоростей

z_k=lg(n_max/n_min)/lgφ=2.18/0.09=24

P_z=P_zтабK₁K₂

Р_таб=690=Pz –определяется из карты для максимальных величин подачи и глубины резания; K₁K₂ –коэффициетны, зависящие от обрабатываемого материала к величине переднего угла резца соответственно.

Py=(0.4-0.5)*Pz=276

Px=(0.3-0.4)*Pz=207

Параметры режимов резания:

V = 240 м/мин;

S = 0.3 мм/об;

t = 5 мм;

Эффективная мощность, потребная на резание, определяется по формуле:

N_эф=2πМ_крn₀= 2*3,14*1207.5*73=9226 Вт

М_кр - момент от сил резания, n – частота вращения заготовки при наиболее жестких режимах резания .

Момент силы резания

Мkp=Рz*d/2*0.01=1207.5 Нм

d=(0.7-0.8)Dmax=350мм

n₀=1000V_черн/πd=73 об/мин (V_черн=80 м/мин)

Мощьность электродвигателя главного движения N=Nэф/кпд=9226/0,8=11,5 кВт

Максимальный крутящий момент на шпинделе:

М_кр=N/2πn_расчη=11533/2*3,14*68,4=34,06

n_расч – расчетное число оборотов шпинделя, определяемое по формуле:

n_расч=n₁₌₁₉ об/мин

n₁ – минимальная частота вращения шпинделя , об/мин; D_рег – диапозон регулирования привода главного движения;

Выбор двигателя

Конструкции коробок скоростей, применяемых в станках с ЧПУ, отличаются большим разнообразием. В процессе проектирования стремятся уменьшить их габариты, увеличить передаваемую мощность, обеспечить мелкую градацию и большой диапазон частот вращения. Особенность расчёта привода главного движения, состоит в необходимости подобрать коробку скоростей и двигатель, которые бы обеспечили заданный диапазон регулирования частот вращения шпинделя с требуемыми параметрами.

По известной мощности резания с учетом КПД подберем стандартный двигатель, используя методику:

Двигатель: МР132М;

Номинальная мощность: P_н = 11 кВт;

Номинальная скорость: n_ном = 1000 об/мин;

Максимальная скорость: n_max = 3500 об/мин;

Момент инерции: J = 0.141 кг/м²

3. Кинематический расчет привода главного движения

Рассчитаем передаточные отношения:

U₁=n_расч/n_ном=176/1000=0,18-понижающая передача;

U₂=n_{max
шп}/n_{max дв}=3000/3500=0,9-повышающая передача;

U₂=1-постоянная, т.к. диаметры шкивов выходного вала коробки скоростей и шпинделя равны.

Исходные данные для расчета:

D_max = 500 мм – максимальный диаметр обрабатываемого изделия;

D_min = 80 мм – минимальный диаметр;

V_max = 800 м/мин – максимальная скорость резания;

V_min = 30 м/мин – минимальная скорость резания;

Знаменатель геометрического ряда

Определим частоты вращения:

n_z = n_max = 3000 об/мин;

n = n_min = 20 м/мин

При расчёте коробок скоростей с регулируемыми электродвигателями используют следующие выражения:

Диапазон регулирования коробки скоростей находим по выражению:

Расчётная частота вращения шпинделя, об/мин:

Диапазон регулирования частот вращения шпинделя с постоянной мощностью:

Диапазон регулирования двигателя с постоянной мощностью:

Зададимся величиной передаточных отношений в группе передач, примем . Тогда диапазон переключения в группе будет равен:

Определим количество степеней скорости в механической части привода:

Примем z_k = 2

Определим максимальную частоту вращения вала II, задавшись i₃ = 2:

Нанесем передаточное отношение i₃ на график. Определим по графику i₁:

Определим частоту вращения шпинделя при частоте вращения двигателя nд.р.max и минимальном передаточном отношении коробки скоростей (i₂=0.33):

Найдем частоту вращения вала II при включении на шпинделе расчетной частоты n_p = 70 об/мин:

При этом двигатель должен обеспечить частоту:

4. Расчет числа зубьев зубчатых колес

Наиболее важными задачами, которые должны решаться при расчете и конструировании коробки скоростей, являются:

- увеличение КПД

- увеличение нагрузочной способности деталей и надежности их работы

- упрощение конструкции и технологии изготовления деталей, повышение точности и плавности хода особенно тяжело нагруженных и быстроходных зубчатых передач

- улучшение динамических свойств зубчатых колес, валов и т.д.

Эти показатели взаимосвязаны, поэтому следует иметь в виду, что улучшение одних показателей может вызвать ухудшение других.

Основной задачей данного этапа проектирования привода станка является определение чисел зубьев, диаметров валов и других параметров передачи привода.

При определении чисел зубьев необходимо не только обеспечить данное передаточное отношение, но и обеспечить постоянную сумму зубьев в пределах двухваловой передачи.

Приведенная в приложении I таблица облегчает проведение расчетов. В ней по горизонтали отложена сумма зубьев, а по вертикали – передаточные отношения. Пустые клетки означают, что при данном значении ΣZ передаточное отношение не может быть выдержано в требуемых пределах, в остальных клетках указано число зубьев меньшего зубчатого колеса.

Порядок расчетов следующий:

а) По графику частот вращения для первой группы передач находим i₂ = 2;

i₁ = 0,5;

б) Зададимся суммой зубьев ΣZ = 90.

в) На пересечении строки с числом 2 и столбца ΣZ = 90 находим Z₁=30, тогда Z₂=90-30=60. Таким образом, первая пара колес в первой группе передач имеет передаточное отношение 30:60.

5. Расчет мощности на валах коробки скоростей

Эффективная мощность резания N_эф=9,226кВт

Определим значение мощности на валах коробки скоростей:

N_III=N_эф/(η_пк* η_зп)

где η_зп=0,95 – кпд зубчатой передачи;

η_пк=0,995 – кпд подшипников качения;

N_III=9226/(0,995*0,95)=9760 Вт

N_II=N_III/(η_пк* η_зп)=9760/(0.995*0.95)=10325 Вт

N_I=N_II/(η_пк* η_зп)=10325(0.995*0.95)=10923 Вт

N=N_I/(η_пк* η_рп)=10923(0.995*0.985)=11145 Вт

где η_рп=0,985 – кпд ременной передачи;

Уточненный кпд коробки скоростей: η_кс= η_пк⁴* η_зп³* η_рп

η_кс=0,995⁴*0,95³*0,985=0,828

Мощность потребляемая электродвигателем:

N_э/дв= N_эф/ η_кс=9226/0,828=11142,5 Вт

6. Определение модулей зубчатых колес коробки скоростей

Модуль для передачи с передаточным отношением i=0.5

m_пов=100/52(6800/10⁵)²*(1,61+1/1,61*1,2)*9,760/20=3мм

Z=52 - число зубьев шестерни;

k=1 -коэффициент нагрузки;

N=9,760 кBt - передаваемая мощность;

n=20 об/мин - число оборотов шестерни;

i=0,5 - передаточное отношение;

σ_пов=10⁵ Н/см²- допускаемое напряжение по усталости поверхностных слоев;

m_пов=100/52(6800/10⁵)²*(1,61+1/1,61*1,2)*9,760/20=3мм

7. Определение геометрических параметров зубчатых колес

Расчет крутящих моментов на валах коробки скоростей:

М_III=N_III*i*60/(2πn_расч)=9760*1,2*60/(2*3,14*176)=635,8 Нм

М_II=N_II*i*60/(2πn_расч)=10325*0,63*60/(2*3,14*176)=353,1 Нм

М_I=N_I*i*60/(2πn_расч)=10923*0,5*60/(2*3,14*176)=296,5 Нм

М=N*i*60/(2πn_расч)=11145*0,33*60/(2*3,14*176)=199,7 Нм

Определяем делительные диаметры зубчатых колес:

D = m*z;

Z=30 D = 3 * 30 = 90 мм;

Z=60 D = 3 * 60 = 180 мм;

Z=30 D = 3 * 30 = 90 мм;

Z=60 D = 3 * 60 = 180 мм;

Определяем диаметры выступов зубчатых колес:

D_a = D + 2m

Z=30 D_a = 90 + 2*3 = 96 мм;

Z=60 D_a = 180+ 2*3 = 186 мм;

Z=30 D_a = 90 + 2*3 = 96 мм;

Z=60 D_a = 180+ 2*3 = 186 мм;

Определяем диаметры впадин зубчатых колес:

D_f = D – 2.5m

Z=30 D_f = 90 – 7.5 = 82,5 мм;

Z=60 D_f = 180 – 7.5 = 172.5 мм;

Z=30 D_f = 90 – 7.5 = 82,5 мм;

Z=60 D_f = 180 – 7.5 = 172.5 мм;

Примем ширину венца зубчатых колес: b = 10 * m = 10 * 3 = 30 мм

8. Определение диаметров валов

Предварительный расчет диаметров валов:

d=(M_расч/0,2[τ])^1/3

M_расч – расчетный крутящий момент на валу;

[τ] – условное допускаемое напряжение на кручение;

Для вала I: d₁=(296.5/0.2*150)^1/3=2.146 см

С учетом впадин диаметров для колес, сидящих на данном валу, а так же из конструктивных соображений принимаем стандартное значение диаметра вала d₁=21 мм;

Для вала II: d₂=(353.1/0.2*150)^1/3=2.27 см; принимаем d₂=23 мм;

Для вала III: d₃=(635.8/0.2*150)^1/3=2.77 см; принимаем d₃=28 мм

Расчет ременной передачи

10. Расчет шпиндельного узла

Понятие «шпиндельный узел»

Шпиндельный узел – один из наиболее ответственных узлов станка, определяющий возможность достижения высокого качества обработки поверхностей деталей. Узел состоит из собственно шпинделя и его опор. На стадии проектирования необходимо правильно выбрать размеры шпинделя, подобрать опоры, обеспечивающие высокую жёсткость, виброустойчивость, и надёжность узла.

Шпиндельные узлы должны удовлетворять ряду требований.

1) Точность вращения шпинделя, характеризуемая радиальным и осевым биением переднего конца, оказывает сильное влияние на точность обрабатываемых деталей. Допустимое биение шпинделя универсальных станков должно соответствовать государственным стандартам. Биение шпинделя специальных станков не должно превосходить 1/3 допуска на лимитирующий размер обработанной на станке детали.

2) Быстроходность шпинделей оценивается параметром d*n (мм/мин), где d – это диаметр шейки шпинделя под передний подшипник (мм), n – частота вращения.

3) Статическая жёсткость определяется упругими деформациями переднего конца шпинделя под действием внешних сил. В балансе перемещения переднего конца выделяют упругие деформации:

- консольной части шпинделя;

- пролётной (межопорной) части;

- подшипников передней и задней и задней опоры.

4) Динамические характеристики шпиндельного узла включают частоту собственных колебаний, амплитудно-фазовые частотные характеристики, форму колебаний на собственной частоте. Собственная частота шпинделя должна превышать максимальную частоту вращения не менее чем на 30%.

5) Энергетические потери характеризуются моментом трения и мощностью холостого хода и учитываются при выборе опор. Высокоскоростные шпиндели имеют весьма большие потери мощности на трение при большой частоте вращения.

6) Нагрев опор приводит к изменению натяга в подшипниках и тепловому смещению переднего конца шпинделя. Нагрев опор сильно зависит от смазочного устройства.

Срок службы шпиндельного узла не регламентируется, но ограничивается износом опор качения.

Расчет шпиндельного узла

Исходные данные :

мощность привода главного движения Р=11 кВт;

максимальная частота вращения шпинделя n_max =3000 об/мин;

класс точности станка - Н;

параметр шероховатости обработанной поверхности Ra=20 мкм;

Шпиндельный узел должен обеспечить шероховатость Ra = 20 мкм.

Заданную шероховатость обеспечивают все типы опор. Выбираем опоры качения, как наиболее распространенные и позволяющие получить шероховатость

Ra <20 мкм.

По выражению определяем диаметр шейки шпинделя под переднюю опору

Подставив заданные значения Р=11 кВт, получим d =110÷31,4 мм.

Найдем среднее значение диаметра (d =70,7 мм) и округлим до 70, исходя из необходимости иметь достаточно высокую жесткость шпинделя.

Параметр быстроходности узла d ·n_max = 70 · 3000 = 2,1 · 10⁵мм/мин.

Ориентировочные значения диаметров шпинделя между опорами (d_м), в задней опоре переднего конца шпинделя находим по выражениям.

Диаметр шпинделя между опорами (мм):

d_M = 0,9· d = 0,9·70 = 63

Диаметр шпинделя в задней опоре (мм):

d₃ = 0,8 · d = 0,8 · 56 = 96

Диаметр переднего конца шпинделя (мм):

D₁= (1,05 ÷ 1,2)d = (1,05 ÷1,2)·70 = 73,5 ÷84.

Диаметр сквозного отверстия предварительно принимаем (мм):

d₀=0.5·d = 0.5·70 =35.

Ориентировочно длину консольной части шпинделя принимаем равной b=100 мм.

Тогда расстояние между опорами a=3·b=3·100=300 мм.

d	120 мм
D_M	63
D₁	84
D	100
d₀	35
b	100
a	300
d₃	56

Заключение

В данной курсовой работе изучены и проанализированы составные части станка 16К20Ф30, проведена модернизация главного привода токарного станка с ЧПУ. В качестве базовой детали принята обработка детали зубчатое колесо. Подобран режущий и вспомогательный инструмент. Произведён расчёт режимов резания, коробки скоростей, ременных передач и шпиндельного узла.

В графической части курсовой работы на первом листе приведен общий вид станка со спецификацией основных узлов и механизмов, техническую характеристику базового станка. На втором листе представлена кинематическая схема базового и проектируемого вариантов станка, графики скоростей базового и проектируемого вариантов станка, график мощностей и крутящих моментов проектируемого варианта станка. Третий лист включает развертку коробки скоростей проектируемого варианта. Четвертый лист включает развертку шпиндельного узла проектируемого варианта.

Список использованных источников

Режимы резания. Справочник. / Под ред. Ю.В.Барановского - М. Маши-

ностроение. 1972. -250с.

Расчет основных характеристик металлорежущих станков. Методи-ческие указания.- Курган, 1983. -18с.
Детали и механизмы металлорежущих станков / Под ред. Д.Н.Решетова.- М. : Машиностроение, 1978. -580с.

Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков.- М. : Машиностроение, 1977. -390с.

Кинематический расчет привода главного движения. Методические указания -Курган, 1984. -25с.
Электроприводы и электродвигатели для станков с ЧПУ. Рекомендации по применению в станкостроении. Найдис В.А., Орлова Р.Т. / Под ред. Г.И.Андреева.- М. : ЭНИМС, 1976. -140с, ил.
Рохин В.Л. Проектирование шпиндельных узлов на опорах качения. 4.1.

Типовые конструкции шпиндельных узлов. Методические указания.-Курган, 1998. -28с.

Рохин В.Л. Проектирование шпиндельных узлов на опорах качения. 4.2. Расчет шпиндельных узлов. Методические указания. - Курган, 1998.-27с.
Иванов В.Н., Рохин В.Л. Конструирование и расчет привода подач станков с

ЧПУ. 4.1. Методические указания. - Курган, 1994. -36с.

10. Иванов В.Н., Рохин В.Л. Конструирование и расчет привода подач станков
с ЧПУ. 4.2. Методические указания. - Курган, 1995. -63с.

11. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. В 3-х т. Т. 2. 5-е
изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 559с, ил.

Проектирование токарного станка с ЧПУ на базе модели 16К20Ф3