Горизонтально фрезерный станок

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 1. Анализ существующих  конструкций станков и выбор  станка-прототипа 2. Обоснование  технической характеристики станка 3. Кинематический расчет привода главного движения 4. Силовой расчет  элементов коробки скоростей 5. Проектирование  и расчет шпиндельного узла Заключение Список использованных источников   ПРИЛОЖЕНИЯ 1. Общий вид горизонтально-фрезерного станка 6Р80 2. Спецификация развертки  коробки скоростей станка 3. Спецификация шпиндельного  узла станка

с.5 с.6   с.7 с.15 с.22 с.33 с.37 с.38

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Металлорежущий  станок является основой для построения современных технологических систем и автоматизированных производств.

При создании станков  используются все достижения машино- и приборостроения, электротехники и электроники, автоматики и информатики.

Поиск новых  решений для достижения прецизионности, производительности, надежности приводит к частой смене моделей станков. Поэтому создатели новой техники должны использовать все достижения науки о станках, применять справочные материалы и стандарты для обеспечения высших технических характеристик создаваемых моделей станков.

 

1 Анализ существующих конструкций горизонтально-фрезерных станков и выбор станка-прототипа

 

Для обработки заготовок из стали, чугуна и цветных металлов, имеющих наибольший размер обрабатываемой поверхности 180´500 мм, инструментом с пластинами из твердого сплава и быстрорежущего материала, рассмотрим несколько типов станков, на которых возможно обработать данную заготовку:

Таблица 1 – Характеристики станков-прототипов

Параметры	6Р80	6Р81	6Р82Г
Размеры рабочей поверхности стола	200´800	250´1000	320´1250
Наибольшие  перемещения стола:
продольное	400	630	800
поперечное	160	200	250
вертикальное	320	320	420
Число скоростей  шпинделя	12	16	18
Частота вращения шпинделя, об/мин	55 – 2240	50 – 1600	31,5 – 1600
Подача, мм/мин:
продольная	25 – 1120	35 – 1020	25 – 1250
поперечная	25 – 1120	28 – 790	25 – 1250
вертикальная	12,5 – 560	14 – 390	8,3 – 416,6
Мощность электродвигателя главного привода, кВт	3	5,5	7,5
Габаритные  размеры:
длина	1525	1480	2305
ширина	1875	1990	1950
высота	1515	1630	1680
Масса, кг	1290	2280	2900

 

Выбираем станок 6Р80. Станок предназначен для обработки заготовок из стали, цветных материалов и чугуна фрезами из быстрорежущей стали или оснащенных пластинами из твердого сплава. Станок используется в условиях индивидуального и серийного производств.

 

 

2 Обоснование технической  характеристики станка

2.1 Виды работ, выполняемых на горизонтально-фрезерных станках:

Станок предназначен для фрезерования различных деталей  из стали, чугуна и цветных металлов сравнительно небольших размеров. Обработка  деталей осуществляется цилиндрическими, дисковыми, фасонными, угловыми, модульными и торцевыми фрезами как встречным, так и попутным фрезерованием. При наличии делительной головки можно фрезеровать прямозубые шестерни, рейки, канавки и т.п.

2.2 Выбор и расчет режимов резания

Таблица 2 – Скорости резания (м/мин) на фрезерных станках

Технологичес- кие переходы	Тип	Фрезы		Режимы резания
		матер-иал	Диаметр,мм	Глубина резания мм	Подача, мм/об	Скорость резания, мм/мин
Конструкционная углеродистая и низколегированная сталь,
Фрезерование  плоскостей:	Фре-зы тор- це-вые
черновое по корке		Т15К12В	125-630	5-8	0,09-0,12	66-97,5
		Т15К10				118-150
получистовые		Т15К6		до 1,5	до 0,06	239-300
Фрезерование  плоскостей и уступов:	Фре- зы кон-це-вые
черновое по корке		Р6М5	25-100	до 0,3 Д	0,04-0,06	15-18
черновое и  получистовое		Р6М5			0,06-0,11	20-30
Фрезерование пазов	Фре-зы кон-це-вые	Р6М5	25-100	Д	0,03-0,08	15-24

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение таблицы 2

Технологичес- кие переходы	Тип	Фрезы		Режимы резания
		матери-ал	Диаметр,мм	Глубина резания, мм	Подача, мм/об	Скорость резания, мм/мин
Серый чугун  НВ 180-220
Фрезерование  плоскостей:	Фре-зы тор-це-вые
черновое по корке		ВК8В	125-630	5-8	0,18-22	45-58
черновое		ВК8				60-75
получистовые		ВК6		до 0,3	до 0,12	94-118
Фрезерование  плоскостей и уступов:	Фре-зы кон-це-вые
черновое по корке		Р6М5	25-100	до 0,3 Д	0,08-0,12	10-12
черновое и  получистовое		Р6М5				18-24
Фрезерование пазов	Фре-зы кон-це-вые	Р6М5	25-100	Д	0,05-0,15	15-19

 

Рисунок 1 – Скорости резания по видам работ

 

На графике  рис. 1 цифрами обозначены: 1 – фрезерование плоскости черновое по корке фрезой торцевой диаметром 125 – 630 мм, оснащенной пластинами из твердого сплава Т15К12В; 2 - фрезерование плоскости черновое по корке фрезой торцевой диаметром 125 – 630 мм, оснащенной пластинами из твердого сплава Т15К10;

3 – фрезерование  плоскости получистовое фрезой  торцевой диаметром 125 – 630 мм, оснащенной пластинами из твердого  сплава Т15К6; 4 – фрезерование  плоскостей или уступов черновое  по корке фрезой концевой из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 25 – 100 мм;  5 - фрезерование плоскостей или уступов получистовое фрезой концевой из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 25 – 100 мм;  6 – фрезерование пазов фрезой концевой из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 25 – 100 мм; (1 – 6 – обработка стали средней твердости; 7 – 12 – обработка серого чугуна).

По выбранным  скоростям резания определим  частоты вращения шпинделя для каждого  вида работ. Частоты вращения определяются по формулам:

(1)

где v_min – минимальная скорость при обработке максимального размера детали; v_max – максимальная скорость при обработке минимального размера детали; d_min, d_max – соответственно минимальный и максимальный размеры деталей.

d_min находится как:

(2)

 

Полученные значения частот вращения шпинделя оформим в виде графика:

Рисунок 2 – Частоты вращения шпинделя по видам работ

 

Минимальная скорость V_min будет при черновом фрезеровании по корке плоскостей и уступов заготовки из серого чугуна фрезой концевой из быстрорежущей стали Р6М5: V_min = 10 м/мин; максимальная V_max – при получистовом фрезеровании заготовки из стали фрезой, оснащено пластинами из твердого сплава Т15К6: V_max = 300 м/мин.

Тогда минимальная n_min и максимальная n_max частоты вращения составят:

 

2.3 Диапазон регулирования

 

Диапазон обрабатываемых деталей (диапазон размеров):

 

 

Диапазон регулирования  скоростей:

Диапазон частот вращения шпинделя:

Обеспечение полученного  диапазона частот вращения нецелесообразно, т.к. приведет к усложнению и удорожанию станка. Поэтому ограничим минимальное  значение частоты вращения шпинделя: n_min = 50 об/мин.

 

2.4 Регулирование скоростей

 

Регулирование скоростей  для разрабатываемого станка принимаем  ступенчатое. Для регулирования  в заданных пределах (от n_min до n_max) выбираем геометрический ряд частот вращения шпинделя с знаменателем j = 1,26.

Число скоростей:

(3)

Обеспечение полученного  диапазона частот вращения нецелесообразно, т.к. приведет к усложнению и удорожанию станка. Поэтому ограничим число  скоростей вращения шпинделя:  Z_v = 18.

Рассчитаем частоты вращения шпинделя по формулам:

(4)

Расчетные значения частот вращения шпинделя округлим до значений, указанных в нормали  станкостроения «Нормальные ряды чисел  в станкостроении» (прил.2 [1]):

 

2.5 Расчет мощности привода и выбор электродвигателя

 

Мощность двигателя  в приводе станка расходуется  на создание рабочих сил и преодоление различных сопротивлений и определяется по формуле

(5)

где N_n- полезная мощность

(6)

где P_z – тангенциальная составляющая силы резания; υ_черн – скорость резания для основного вида работы, м/мин; N_хх – мощность холостого хода; N_доп – мощность на дополнительные потери

	(7)
	(8)
	(9)

 

где (принимаем )

Для основного  вида работ (черновое фрезерование фрезами  максимального диаметра из быстрорежущей стали) сила резания и скорость рассчитывается аналитически по формулам справочника ([3] стр.282).

 

Скорость резания:

(10)

где С_v; q; m; x; y; u; p - коэффициент и показатели степени (принимаем соответственно равными 35,4; 0,45; 0,33; 0,3; 0,4; 0,1; 0,1); D – диаметр фрезы; T – период стойкости ( Т = 180 мин); t – глубина резания (принимаем t = 5 мм); s_z – подача на зуб фрезы (для станков мощностью менее 5 кВт и средней жесткости системы при фрезеровании цилинжрическими фрезами из быстрорежущей стали конструкционной стали: s = 0,10 мм/зуб); z – число зубьев фрезы (z = 22); B – ширина фрезерования

(11)

K_v – поправочный коэффициент              

(12)

где K_mv - коэффициент, учитывающий качество материала заготовки; K_пv - коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки (принимаем K_пv = 0,8); K_иv - коэффициент, учитывающий материал инструмента (принимаем K_иv = 1);

(13)

где K_г - коэффициент, характеризующий группу стали по обрабатываемости (принимаем K_г = 1,0); - показатель степени (принимаем = -0,9).

Принимаем В = 100 мм;

Скорректируем скорость резания по станку:

(14)

 

где n – частота вращения фрезы;

Ближайшая частота  вращения на станке n = 80 мин^-1, тогда

 

Сила резания:

(15)

где С_р; x; y; n; q; w - коэффициент и показатели степени (принимаем соответственно 68,2; 0,86; 0,72; 1,0; 0,86; 0); К_мр - коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала.

(16)

где n – показатель степени (при фрезеровании n = 0,3/0,3);

 

Принимаем для  станка асинхронный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором 4А132М4У3. Основные характеристики двигателя:

1. Мощность N_ном (кВт) – 11,0;
2. Частота вращения n (мин^-1) – 1400;
3. КПД η – 87,5%;
4. cos j – 0,87.
5. М_кр/N_ном = 2,5;
6. М_пол/М_ном = 1,4;
7. М_min|N_ном= 1,0.

 

 

3 Кинематический расчет привода главного движения

 

3.1 Построение структурной  сетки

 

Рассмотрим 4 варианта структурной  сетки:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

Построим 4 варианта структурных сеток:

Рисунок 3 – Структурные сетки

 

 

Выбираем первый вариант, т.к. эта структурная сетка  позволяет получить минимальные  размеры коробки скоростей и  обеспечивает лучшие условия для  работы зубчатых передач.

 

3.2 Разработка кинематической схемы проектируемого станка

 

Выбрав структурную  сетку, приступаем к разработке кинематической схемы. Для этого вычерчиваем  все линии, соответствующие количеству валов. Эти линии располагаются  горизонтально и вертикально, в зависимости от типа станка и на них вычерчиваем зубчатые блоки (тройные, зубчатые колеса).

 

Рисунок 4 – Кинематическая схема

 

 

 

 

3.3 Построение графика частот вращения шпинделя

 

График частот вращения шпинделя строят в полном соответствии с принятой структурной сеткой и разработанной кинематической схемой проектируемого станка.

Рисунок 5 - График частот вращения шпинделя

 

3.4 Определение  передаточных отношений и подбор  зубчатых колёс

 

Из графика (рисунок 5) находим передаточные отношения:

Передаточное  отношение ремённой передачи

(16)

Принимаем: ,

Для зубчатых колёс:

По полученным передаточным отношениям определяем число зубьев Z зубчатых колес.

 

Числа зубьев колес определяются для каждой группы передач. При этом сумма зубьев каждой пары колес в  пределах данной группы должна быть постоянной. Число зубьев группы, а также число  зубьев шестерен определяются по таблице (приложение 18 [1]). Во избежание получения вала-шестерни, что экономически нецелесообразно, принимаем Z_min ³ 21.

Первая группа колес:

Вторая группа колес:

Третья группа колес:

Занесём выбранные значения зубьев колёс в таблицу.

 

Таблица 3 – Передаточные отношения и числа зубьев колёс

i	i1 = 1/2	i2 = 1/1,58	i3 = 1/1,26	i4 = 1/3,16	i5 = 1/1,58	i6 = 1,26	i7 = 1/3,98	i8 = 2
группы	101			101			108
Число зубьев колёс	Z1:Z2 = = 34:67	Z3:Z4 = = 39:62	Z5:Z6 = = 45:56	Z7:Z8 = = 24:77	Z9:Z10 = = 39:62	Z11:Z12 = = 56:45	Z13:Z14 = = 22:86	Z15:Z16 = = 72:36

 

 

3.5 Определение фактических частот вращения и величин погрешностей

 

По графику  частот вращения составляем уравнение  кинематического баланса и определим фактические частоты вращения:

(17)

 

В станкостроении принято, чтобы фактическая частота  вращения не отклонялась от стандартного (заданного) значения более чем на:

(18)

Поэтому определим величину погрешности для каждой частоты вращения и сравним с допускаемым значением:

(19)

Все фактические  частоты вращения не отклоняются  от стандартного значения более чем  на .

 

4 Силовой расчет элементов коробки скоростей

 

Силовой расчет элементов  коробки заключается в расчете  ременной передачи, определении модулей  зубчатых колес, расчете диаметров  валов, размеров муфт, шпонок, подборе  подшипников.

 

4.1 Определение угловых скоростей валов

 

Расчетная частота  вращения шпинделя n_p:

(20)

Стандартное значение 125 мин^-1.

Угловая скорость электродвигателя w₀:

(21)

Угловая скорость первого вала коробки скоростей w_I:

(22)

Угловая скорость второго вала коробки скоростей w_II:

(23)

Угловая скорость третьего вала коробки скоростей w_III:

(24)

 

 

 

Угловая скорость четвертого вала коробки скоростей w_IV:

(25)

 

4.2 Мощность и крутящий момент на валах

 

Нулевой вал (вал  электродвигателя) N₀:

(26)

где N_эл.дв – мощность электродвигателя: N_эл.дв = 11 кВт = 11000 Вт.

Крутящий момент на валу М₀:

(27)

I вал:

(28)

где η_р – КПД клиноременной передачи; η_з.п – КПД зубчатой передачи; η_п – КПД подшипников качения;

(29)

II вал:

(30)

(31)

 

 

 

III вал:

(32)

(33)

IV вал:

(34)

(35)

Результаты расчета сведем в таблицу

 

Таблица 4 – Мощность и крутящий момент на валах

№ вала	N, Вт	n, мин-1	w, с-1	M, н×М	i
Вал (0) электродвигателя	11000	1400	146,6	75,0
					0,893
I	10458	1250	130,9	80
					1,58
II	10250	800	82,8	124
					1,58
III	10046	500	52,4	192
					3,98
IV	9847	125	13,17	747

 

 

 4.3 Расчет модулей зубчатых колес

 

При расчете зубчатых передач  модуль зубчатых колес определяется как из прочности зуба на изгиб (m_изг), так и из усталости поверхностных слоев (m_пов) для каждой группы передач.

Для стальных цилиндрических колес с прямыми зубьями указанные  модули определяются по формулам:

(36)

где N – мощность, передаваемая валом; n – частота вращения вала; Z – число зубьев меньшего колеса в расчетной цепи; y = b/m = 6 ¸ 10 - коэффициент ширины, учитывающий соотношение ширины зубчатого колеса b и его модуля m; y = 0,243 ¸ 0,268 – коэффициент формы зуба; y₀ = 0,7 ¸ 1,6 – коэффициент, учитывающий симметричность расположения шестерни на валу и жесткость вала; i – передаточное отношение по расчетной цепи для группы передач.

Коэффициент нагрузки k:

(37)

где k_д – коэффициент динамической нагрузки; k_к – коэффициент концентрации нагрузки; k_р – коэффициент режима работы.

Рекомендуется при предварительном расчете:

  

Допускаемое напряжение на изгиб:

(38)

где s_-1 – предел выносливости материала зубьев при изгибе с симметричным циклом нагружения; n = 2 ¸ 2,5 – запас прочности (в приближенных расчетах принимают n = 2,5).

Допускаемое контактное напряжение сжатия:

(39)

где С_в – коэффициент; НВ – твердость поверхности по Бринеллю.

В качестве материала  для ведущих зубчатых колес примем сталь 40Х, термообработка – улучшение, тогда: НВ = 255 кг/мм² (табл.4 [1]); s_-1 = 40 кг/мм² = 4000 кг/cм² (табл.5 [1]); С_в = 25 (табл.6 [1]).

Первая группа колес:

Вторая группа колес:

Третья группа колес:

Из рассчитанных модулей m_изг и m_пов для каждой группы колес принимаем наибольший и округляем по ОСТ 1597: