Введение

В современном машиностроении широко распространены различные автоматические линии и роботизированные комплексны на основе станков с ЧПУ. Применение такого типа оборудования обусловлено желанием производителя сокращать время изготовления детали и повышать качество обработки. Автоматизация смены заготовки - наиболее сложная задача, одновременно с этим очень важная. Наряду с разработкой технологического процесса, в задачу технолога входит разработка приспособлений. Решение этой задачи во многом определяет время обработки, точность и в конечном итоге стоимость изделия. В настоящее время в машиностроении применяются различные приспособления, где зажим заготовки осуществляется с помощью пневматических, гидравлических, электромеханических, гидропластовых устройств. Преимуществом пневматических систем является их относительная дешевизна и доступность. Под доступностью в данном случае понимается следующие: в современном станкостроении применение воздуха в приводах инструментальных магазинов, устройств зажима и разжима инструмента, продувки конуса шпинделя является нормой, поэтому в местах установки оборудования проведены рукава с централизованной подачей воздуха. Давление воздуха 0,4-0,6 МПа. Гидравлическое оборудование позволяет развивать большую силу зажима, однако редко применяется на производстве централизованная подача рабочей жидкости к оборудованию. Необходимость покупки отдельно гидростанции увеличивает стоимость оборудования. Электромеханические приспособления имеют, как правило, высокое быстродействие, но сравнительно невысокие усилия зажима. Применение гидропластовых приспособлений актуально в тех случаях, когда перемещения при зажиме и разжиме невелики.

Одна из основных особенностей станков с ЧПУ - их высокая точность и жесткость. Станочные приспособления оказывают существенное влияние на повышение точности обработки, поскольку погрешность, возникающая при базировании заготовки в приспособлении, является одной основных составляющих суммарной погрешности обработки. Следовательно, приспособления к станкам с ЧПУ должны обеспечивать большую жесткость и точность установки заготовки, чем приспособления к универсальным станкам. Для этого необходимо исключить погрешность базирования, путем совмещения баз. Погрешность закрепления заготовок должна быть сведена к минимуму, точки приложения сил закрепления надо выбирать таким образом, чтобы по возможности полностью исключить деформацию заготовок. Погрешность установки приспособлений на станках должна быть минимальной. Поскольку при обработке на станках с ЧПУ программируемые перемещения станка и инструмента задаются от начала отсчета координат, приспособления должны обеспечивать полную ориентацию заготовок относительно установочных элементов приспособления, т.е. должны лишить ее всех степеней свободы. Важная особенность станков с ЧПУ - обработка максимального числа поверхностей с одной установки заготовки. Следовательно, приспособления должны быть спроектированы таким образом, чтобы установочные элементы и зажимные устройства не препятствовали подходу режущего инструмента к обрабатываемым поверхностям заготовки.

Практика показывает, что установка заготовки в приспособлении часто занимает больше времени, чем сама непосредственно обработка резанием. Этот факт сводит на нет все преимущества применения высокоскоростных и высокоточных станков с ЧПУ. Кроме того, автоматизация процесса смены заготовки, позволяет снизить требования к квалификации рабочего или вообще исключить его труд (безлюдная технология). Однако, расчет показывает, что не всегда целесообразно применять автоматизированные приспособления в мелкосерийном и серийном производстве, особенно если приспособления узкоспециализированные. Действительно, в России большинство заводов производят продукцию небольшими партиями. В общем, эта тенденция просматривается не только в России, но и во всем мире. Это связанно, прежде всего, с ростом номенклатуры выпускаемых изделий, разнообразием заказов и непосредственным изменением конструкции изделия по требованию заказчика. Следовательно, чтобы приспособление приносило не только технологический, но и экономический эффект, его стоимость должна быть минимальной, а универсальность максимальной. Минимальная цена достигается с помощью кооперации не только внутри страны, но и международной. В последнее время европейские фирмы осуществляют кооперацию, которая направлена на стандартизацию и унификацию различных станочных узлов и приспособлений для использования модульного принципа построения станков. Этот принцип позволяет быстро производить приспособления, осуществлять их модернизацию путем замены устаревших унифицированных узлов на новые или быстро изменять специализацию приспособления, делая его более универсальным. Осуществляя данный принцип предприятия, превращают процесс изготовления приспособления в процесс сборки. Применение стандартизованных элементов во многом упрощает внедрение приспособления в автоматические линии. [6,с.7]



1. Анализ конструкции обрабатываемой детали

1.1 Анализ технологичности делали

В качестве детали для проектирования приспособления была выбрана деталь типа фланец, изготавливаемая на заводе ОАО «Стерлитамак М.Т.Е.», эскиз которой представлен на рисунке 1.1. Деталь изготавливается из СЧ 25 ГОСТ 1412-85, твердость НВ 190…229. Имеет Н6 квалитет точности, допуск на позиционирование отверстий 0,2 мм, шероховатости по поверхностям до Ra0,8. Габаритные размеры исходной заготовки детали 186х68 мм. Механическая обработка лезвийным инструментом производится на станках нормальной точности, а получение поверхностей по 6 квалитету точности достигается шлифованием.

Рисунок 1.1 - Эскиз детали

Маршрутная технология изготовления детали-представителя на заводе ОАО «Стерлитамак М.Т.Е.» представлена в таблице 1.1.



Таблица 1.1 - Маршрутная технология детали-представителя

005	Заготовительная	Литье	Оборудование	Приспособление
010	Токарная	Подготовка базы. Растачивание отверстия, подрезка торца.	160 НТ	Трех кулачковый патрон
015	Токарная	Растачивание наружного диаметра, подрезка торца	160 НТ	Трех кулачковый патрон
020	Комплексная с ЧПУ	Фрезерование, сверление, нарезание резьбы	400V	Тиски гидравлические
025	Комплексная с ЧПУ	Фрезерование, сверление, нарезание резьбы	400V	Тиски гидравлические
030	Слесарная
035	Шлифование		3А228
040	Шлифование		3А228
045	Моечная
050	Маркирование
055	Контроль
060	Перемещение



2. Описание используемого оборудования

Станок горизонтальный токарный с ЧПУ модель 160НТ

Станок горизонтальный токарный с ЧПУ модели 160НT в патронном исполнении предназначен для токарной обработки деталей типа фланцев и шестерен (длина детали не превышает двух диаметров). Также имеется возможность обработки деталей с твердостью до HRC 65 методом твердого точения, что позволяет заменить операцию шлифования точением при значительном сокращении времени обработки. Станок оснащен числовым программным управлением (ЧПУ) высокой точности, что дает возможность производить комплексную обработку деталей в режимах программного управления.

На суппорте станка установлена револьверная головка дискового типа с закрепленным на ней инструментом.

Общий вид станка в соответствии с рисунком 2.1.

Рисунок 2.1 - Общий вид станка 160 НТ

2.1.1 Основные технические данные и характеристики

Технические характеристики, основные параметры и размеры согласно ГОСТ 10172-87, технических условий ТУ3810-013-48852592-2005 приведены в таблице 2.1.



Таблица 2.1

Наименование параметров	Значения
	160НТ-01
Характеристика рабочего пространства
Наибольший диаметр заготовки, мм	200
Наибольшие программируемые перемещения шпиндельной бабки (ось Z), мм	250
Наибольшие программируемые перемещения суппорта (ось X),мм	200
Наибольшая длина обрабатываемой заготовки, мм	120
Наибольшая масса заготовки, устанавливаемой в патроне, кг	30
Конец шпинделя по ГОСТ12595-85	1-6Ц
Характеристика главного привода
Диапазон частот вращения шпинделя, мин-1	5…4000
Число ступеней частот вращения шпинделя	Регулирование бесступенчатое
Наибольший крутящий момент на шпинделе (с двигателем мощностью 12 кВт), Н.м	205
Характеристика приводов подач
Диапазон программируемых подач по осям X, Z, мм/мин	1…15000
Число ступеней рабочих подач	Регулирование бесступенчатое
Скорость быстрого перемещения по осям (X, Z), м/мин	20
Точность позиционирования, мм	0,010
Повторяемость позиционирования, мм	0,005
Наибольшее усилие подачи, Н -по координате Х -по координате Z	5250 5250
Характеристика устройства ЧПУ и измерительных преобразователей
Количество одновременно управляемых координат	3
Количество одновременно управляемых каналов	1
Дискретность перемещения, мм	0,001
Характеристика револьверной головки
Количество позиций	8
Время смены инструмента, с	0,5
Точность позиционирования	4?



3 Проектируемое приспособление

3.1 Описание работы приспособления

Тип приспособления во многом определяется наименованием и содержанием конкретной определенной операции. Так для операции №15 конкретно выбираем проектирование токарного приспособления, трёхкулачковый клиновой токарный патрон.

Для обработки выше выбранной детали типа «Фланец» на станке марки 160НТ, а именно для токарной операции (получение цилиндрической поверхности диаметром 80Н6 мм) выбрали приспособление типа самоцентрирующий трёхкулачковый клиновой токарный патрон повышенной точности (ГОСТ24351-80) , согласно [3,с.20]. В качестве привода к патрону применили пневмоцилиндр с воздухоподводящей муфтой (ГОСТ15608-81) , согласно[3,с.30].

Рисунок 3.1 Токарный трёхкулачковый клиновой патрон;

На рисунке 3.1 изображен токарный трехкулачковый самоцентрирующий механизированный клиновой патрон. В пазах корпуса 7 установлены три ползуна 17, к которым винтами 24 и сухарями 19 прикреплены кулачки 10. Втулка 2 винтом 26 и тягой, размещенной в полости шпинделя станка, соединена со штоком пневматического привода. В ней предусмотрены три паза с углом наклона 25°, в которые входят наклонные выступы ползунов17, образуя клиновые сопряженные пары.

Заготовка зажимается в патроне при перемещении штока привода влево. При этом через тягу и винт 26 движение передается на втулку 2, которая смещает выступы ползунов 17 по наклонным пазам к оси патрона. Сменные кулачки 10 также перемещаются к центру патрона и зажимают обрабатываемую заготовку. Открепление заготовки происходит при движении штока привода вправо, который через тягу перемещает вправо и втулку 5. Выступы ползунов 17 смещаются по наклонным пазам втулки 2 в направлении от оси патрона, сменные кулачки расходятся и заготовка открепляется.

Для замены кулачков втулку 2 торцовым ключом, вставляемым в шестигранное отверстие, поворачивают против часовой стрелки на угол 15°. После этого ползуны 17 выводят из пазов корпуса 7 и вынимают. Втулка 5 предназначена для предохранения патрона от засорения и при замене кулачков снимается.

Пневмоцилиндр, изображенный на рисунке 3.2, устанавливается на заднем конце шпинделя и вращается вместе с ним. На корпусе 8 пневмоцилиндра винтами закреплена крышка 9. Внутри корпуса размещены поршень 18 со штоком 20 и установлен вал 1, закрепленный гайкой 13, на котором смонтирована муфта М на шарикоподшипнике 9 с манжетой 9. Манжеты фиксируются упорными шайбами 4 и кольцами 2 с отверстиями для прохода сжатого воздуха.

В отверстие вала 1 запрессован пустотелый стержень 11, по которому в пневмоцилиндр проходит воздух. Корпус 7 воздухопроводящей муфты прикреплен к крышке 13 на шарикоподшипнике 15. В резьбовые конические отверстия МК16Ч1,5 закручиваются штуцеры для присоединения резинотканевых шлангов, проводящих сжатый воздух. Воздух, подводимый к левому отверстию муфты, проходит по каналам а, б, в ,г и поступает в правую полость пневмоцилиндра, перемещая поршень 18 со штоком 20 влево. При этом заготовка патроне будет зажиматься. Воздух, подаваемый к правому отверстию муфты, проходит по каналам д, е, ж, и поступает в левую полость пневмоцилиндра, перемещая поршень со штоком в право (заготовка в патроне разжимается).

а)

б)

Рисунок 3.2 а)Вращающийся пневмоцилиндр ;б) воздухоподводящая муфта



3.2 Силовой расчет приспособления

3.2.1 Расчет режимов резания

По маршрутной технологии для операции №15 выполняемой на станке 160НТ выполняются следующие переходы: продольное точение по контуру (чистовое и черновое), подрезка торцов, сверление.

Обработка детали на токарном станке ведется резцами из твердосплавного материала ВК8.

Черновую и чистовую токарную операцию поверху производят проходным резцом ГОСТ 18870-73;

Режимы резания определили табличным методом.

Черновая обработка по контуру:

t = 0.8мм, S = 0.75 мм/об, V = 87 м/мин,

Расчет режимов резанья проводился с помощью программы «REZIM». Результаты расчета представлены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Силы резания для черновой токарной операции.

Для дальнейшего проектирования приспособления с целью определения наибольшей силы зажима выбираем черновую обработку как наиболее нагруженную.



3.2.2 Расчет потребной силы зажима

Расчетная схема представлена на рисунке 3.3. Заготовка радиусом r зажимается в трехкулачковом клиновом токарном патроне и находится под действием момента резания М_Р, осевой силы Р_х и вертикальной силой резания Р_z. Силы резания действуют на заготовку, стремясь провернуть ее относительно патрона силой Р_z и сдвинуть относительно патрона силой Р_х.

Рисунок 3.3 Схема обработки детали в трехкулачковом клиновом патроне.

Из условия равновесия сила зажима определяется по формуле [5, с.126]:

При Р < 3W^ґf₁



(1)

где Рz - вертикальная составляющая сила, Рz =686,8 Н

f₁ - коэффициент силы трения, f₁ = 0,15.

d1 - диаметр обрабатываемой детали, d1 = 180мм

d2 - диаметр зажима детали, d2 = 80мм

М_р - момент резания, М_р = 62 Нм

k - коэффициент запаса, k = 2

- момент трения.

, (2)

Н .

Проскальзыванию заготовки относительно кулачков препятствует момент трения между заготовкой и кулачками, являющаяся результатом действия усилий закрепления, момент трения определяется по формуле [2, с.125]

, (3)

где Рх - горизонтальная составляющая сила, Рх =379,8 Н

f₁ - коэффициент силы трения, f₁ = 0,15.

k - коэффициент запаса, k = 2

Н .



В качестве потребного усилия закрепления приняли наибольшее из рассчитанных , таким образом W=6868 Н .

При увеличении частоты вращения шпинделя станка на кулачки увеличивается действие центробежных сил, которые при данной схеме установки детали увеличивают силу зажима. Поэтому для определения статической силы зажима необходимо из потребной силы зажима алгебраически вычитать центробежную силу.

(4)

где W - потребная сила зажима,

F_ц - центробежная сила,

Центробежную силу определили по следующей формуле:

(5)

где М - масса кулачков, М=3*0.7=2.1кг

R - расстояние от оси патрона до центра тяжести кулачка,R=40мм

n - частота вращения шпинделя, n=153,9 об/мин.

Н .

Таким образом при дальнейших расчётах будем использовать потребную силу зажима равную Н .



3.3 Расчет силового привода

В качестве силового привода для обеспечения потребной силы зажима используется вращающийся пневматический цилиндр. Цилиндр устанавливается на шпиндель токарного станка через фланец. Подача воздуха при такой компоновке осуществляется посредством специальной муфты двустороннего действия. Рабочие давление в пневмосистем р=0,4МПа,

3.3.1 Схема работы пневматического привода

Схема пневмопривода к приспособлению токарного станка с соответствующими блокировками для безопасной работы показана на рисунке 6. непременным условием применения пневматического привода является обеспечение цехов сжатым воздухом, поступающий в пневматический привод приспособления воздух должен быть очищен от посторонних примесей и осушен.

В процессе работы пневматического привода действует статический напор; воздух расходуется только при переключениях. Величина расхода за каждое переключение зависит от объема воздухоприемного устройства и разностью давления между внешней средой и рабочей полостью привода.

Рисунок 6 Схема пневмопривода к приспособлению токарного станка

Станок оснащен вращающимся пневмоцилиндром 9, установленным на заднем конце шпинделя 10 станка. Шток цилиндра через тягу связан с кулачками патрона. Непосредственно за пробковым краном 1 располагается фильтр-влагоотделитель 2, очищающий воздух от влаги и механических примесей; его помещают непосредственно у входа в пневмосеть станка. Затем следует пневмоклапан 3 давления, служащий для регулирования давления в полости цилиндра. Давление контролируют с помощью манометра встроенного в пневмоклапан.

Реле 4 давления служит для предотвращения аварии: в случае падения давления в воздушной магистрали реле автоматически выключает электродвигатель станка. Эту же роль выполняет обратный пневмоклапан 7, который пропускает воздух лишь в цилиндр и задерживает его выход.

Для насыщения сжатого воздуха распыленным маслом, смазывающим трущиеся деталей пневмопривода, устанавливают маслораспылитель 5.

Работой пневмопривода управляют с помощью распределительного крана 6. для соединения воздухопроводящих трубок с цилиндром устанавливают воздухопроводящую муфту 8.

3.3.2 Расчет диаметра поршня пневмопривода

Сила зажима детали передается от пневмоцилиндра на шток . Величина усилия на штоке рассчитывается из формулы:

, (6)

где W - потребная сила зажима детали, W = 6847,4 H

Р - сила на штоке пневмоцилиндра,

k - коэффициент, учитывающий дополнительные силы трения в патроне,k = 1,05,

a - вылет кулачка, а = 15 мм,

b - длина ползуна, b = 40 мм,

б - угол скоса, б = 25⁰

ц - угол трения скольжения, ц = 5⁰,

f - коэффициент трения, f = 0,15.

(7)

Диаметр пневматического цилиндра двустороннего действия рассчитывается по формуле [5, с.143]:

(8)

где D - диаметр поршня пневмоцилиндра,

d - диаметр штока пневмоцилиндра,

Р - сила на штоке, Р = 4851,5 Н

р - давление сжатого воздуха, р = 0,4МПа,

з - КПД, з = 0,8.

При расчете D по тянущему усилию диаметр штока d принимают в зависимости d=(0,325…0,545)D.

Тогда диаметр цилиндра будет определяться по формуле:

(9)



По таблице для вращающихся пневмоцилиндров согласно [1, т.1 с.426] по ГОСТ 15608-81 принимаем стандартное значение диаметра поршня пневмоцилиндра из расчета обеспечения силы на штоке D = 160 мм.

После выбора стандартного значение диаметра поршня пневмоцилиндра рассчитываем величину усилия на штоке (8) и силу зажима детали (6):

В дальнейших расчетах величину усилия на штоке будем принимать , а силу зажима детали



4. Проверочные расчеты

4.1 Расчет элемента приспособления на прочность

Наиболее нагруженным элементом приспособления является резьбовое соединение со шток токарного патрона так как для обеспечения необходимой силы зажима на резьбу действует сила в осевом направлении равная силе на штоке пневмоцилиндра.

Резьбу необходимо проверить на срез и на смятие при растяжении.

Рисунок 7 Схема расчета винта на смятие и на срез.

Расчет на срез осуществляется по формуле [5, с.33]:

, (10)



где ф - фактическое напряжение смятия, МПа

[ф] - допускаемое напряжение растяжения, МПа

P - осевая сила, Р = 6173.5 Н,

d₁ - внутренний диаметр винта, d₁ = 10,106мм,

Н - глубина завинчивания винта Н=30мм,

К_м - коэффициент неравномерности нагрузки по винтам резьбы К_м =0,65

Расчет на смятие осуществляется по формуле [5, с.34]:

, (11)

где у_см - фактическое напряжение смятия, МПа

[у_см] - допускаемое напряжение смятия, МПа

P - осевая сила, Р = 6173.5 Н,

d₂ - средний диаметр винта, d₂ = 10,863 мм,

h - рабочая высота профиля h=0.947 мм,

z - число рабочих витков

Винт изготовлен из хромистой стали Сталь 35 Х напряжение среза и смятия для стали согласно [4. с. 352] [у_см] = 640 МПа, [ф]=100 МПа.

Тогда

По условию прочности винт подходит для передачи сил.

4.2 Расчет приспособления на точность

В соответствии с требованием к токарной обработке данной детали из маршрутной технологии изготовления для расчета приспособления на точность выбираем обеспечение размера 124⁰_-0,5 мм.

Тогда из условия обеспечения размера 124 мм при токарной обработке по контуру с заданным допуском расчет приспособления на точность следует вести по формуле [3, с.85]:

, (12)

где - допуск выполняемого размера при обработке; исходя из условий обработки (чистовая обработка заготовок на токарных станках с ЧПУ ), а также с учетом маршрутной технологии обработки назначили =0,5 мм ;

k_т - коэффициент учитывающий отклонение рассеяний значений составляющих величин от закона нормального распределения , k_т = 1,1;

k_т1 - коэффициент, учитывающий уменьшение предельного значения погрешности базирования при работе на настроенных станках, k_т1 = 0,8;

k_т2 - коэффициент, учитывающий долю погрешности обработки в суммарной погрешности, вызываемой факторами не зависящими от приспособления, k_т2 = 0,6;

- экономическая точность обработки, принимали по таблице П5 для тонкого обтачивания на токарных станках согласно [3, с.211], = 0,07 мм;

- погрешность базирования заготовки в приспособлении, для токарной обработки по контуру согласно [5, с.99], = 0;

- погрешность закрепления заготовки в результате действия сил зажима согласно таблице П1 [3, с.206], =0,07 мм;

- погрешность установки приспособления на станке, для токарных станков определяется по формуле:

, (13)

где - допуск диаметра выточки фланца при его установке на шпиндель станка, = 0,01 мм,

- допуск диаметра выточки корпуса патрона при его установке на фланец, = 0,012 мм,

= 0,011мм;

- погрешность положения заготовки, возникающая при изнашивании элементов приспособления и определяется по формуле [3, с.108]:

, (14)

где в - постоянная, зависящие от вида установочных элементов и условий контакта, в = 0,6;

N - количество контактов заготовки и приспособления в год, N = 100.

мкм;

- погрешность от перекоса инструмента при применении кондукторных втулок, = 0;



= 0,409 мм.

Из данных расчетов сделали вывод что для обеспечения обработки детали с допуском 0,5мм необходимо изготовить приспособление с точностью ? 0,409 мм.



Заключение

В рамках данной курсовой работы для предварительно выбранной детали спроектировали и автоматизировали приспособление для закрепления заготовки при определенной механической обработке. Проектируемое приспособление - токарный трехкулачковый самоцентрирующийся клиновой патрон (7102-0088 ГОСТ24351-80) с пневматическим приводом - предназначено для обработки детали на токарном станке 160НТ.

В данном курсовом проекте мы рассчитали потребую силу зажима и с ее учетом подобрали стандартный вращающийся пневматический цилиндр 7020-0121 ТУ 2-053-1884-88 по ГОСТ15608-81, который обеспечивает автоматизацию приспособления и имеет следующие основные параметры и характеристики :

диаметр поршня 160 мм ;

длину рабочего хода 30 мм;

Из расчета на прочность элемента приспособления, а так же из расчета на точность приспособления при обеспечении заданного размера детали, можно сделать вывод, что приспособление работоспособно, обеспечивает заданную точность обработки выбранной детали и удовлетворяет всем требованиям современного производства.



Список литературы

1. Вардашкин Б.Н. «Станочные приспособления» В 2-х томах. - М.: Машиностроение, 1984. -592 с.

2. Корсаков В.С. «Основы конструирования приспособлений»: Учебник для вузов. - 2-е издание. - М.: Машиностроение 1983г. - 277с.

3. Горохов В.А. «Проектирование и расчет приспособлений»: Учебное пособие для студентов вузов. - Минск: «Вышэйшая школа», 1986г. - 237с.

4. Гжиров Р.И. «Краткий справочник конструктора»: Справочник - Л.: Машиностроение, 1984г. - 464 с.

5. Иванов И.И. «Детали машин» Учебник для вузов. - 2-е издание. - М.: Машиностроение 1983г. - 277с.

6. Горошкин А.К. «Приспособления для металлорежущих станков»: Справочник - 7-е издание - М.: Машиностроение, 1979 г. - 303 с.

7. Безъязычный В.Ф. «Альбом технологической оснастки для станков с ЧПУ в авиадвигателестроении» Часть1-М.:Машиностроение 2000г.-147с.

8. ГОСТ24351-80 «Токарные клиновые патроны»

9. ГОСТ15608-81 «Пневматические цилиндры»