Проектирование кулачковых самоцентрирующих патронов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические указания

к курсовой работе

по дисциплине:

«Технологическая оснастка»

Проектирование кулачковых самоцентрирующих патронов

1. Цель и задачи курсовой работы

кулачковый патрон самоцентрирующий проектирование

Цель - научиться проектировать станочные приспособления на примере разработки конструкции токарного кулачкового самоцентрирующего патрона.

Задачи занятий:

изучить конструкцию кулачкового патрона;

разобраться в методике проектирования станочного приспособления;

выполнить по заданному варианту необходимые расчёты для проектирования патрона и силового привода к нему;

разработать конструкцию токарного кулачкового самоцентрирующего патрона с механизированным приводом;

оформить результаты расчётов и конструирования в виде пояснительной записки по СТП 2.201-87 и рабочего чертежа патрона с силовым приводом.

2. Описание конструкции токарного приспособления.

Особенностью токарного приспособления является разделение конструкции на патрон и силовой привод, которые монтируются на различные концы шпинделя коробки скоростей (рис. 2.1.). Патрон 1 устанавливается и надёжно закрепляется на переднем конце шпинделя и связывается с зажимным механизмом патрона с помощью жесткого стержня 3 (тяги).



В конструкцию патрона входят сменные кулачки 4 (три), которые жестко крепятся к постоянным кулачкам 5. Для точной установки сменных кулачков применяется призматическая шпонка 6, а для их закрепления - винты размером М8, М10 или М12 с утопающей головкой. Для радиального перемещения кулачков применяется зажимной механизм 7, который через центральную втулку 8 и тягу связан с силовым приводом 2. Кулачки, зажимной механизм и другие детали патрона монтируются в корпусе 9, устанавливаемом на переднем конце 10 шпинделя.

Силовой привод состоит из силовой части (зона С), создающей исходную силу для закрепления заготовки, и муфты 11 для подвода рабочей среды (сжатый воздух, масло, электроэнергия). Силовая часть привода вращается вместе со шпинделем и патроном, а муфта остаётся неподвижной.

При перемещении кулачков в радиальном направлении к оси патрона осуществляется центрирование и закрепление заготовки.

3. Методика проектирования станочного приспособления

Процесс проектирования приспособлений представляет собой цепь последовательных этапов, осуществляемых конструктором от начала получения задания до выдачи готовых чертежей, в которых отражается конструктивное воплощение идей технологического процесса, технического творчества, знаний и опыта конструктора.

Методика проектирования приспособления состоит из проектной (расчётной) и конструкторской части. В расчётной части выполняются следующие этапы.

Сбор исходных данных, в которые входят операционный эскиз на выполняемую операцию со схемой базирования, данные о материале заготовки, режущем инструменте, режимах резания, сведения о рабочем органе станка, на который монтируется проектируемое приспособление. В задании указывается также тип приспособления согласно принятой классификации.

Расчёт сил резания.

Выбор схемы закрепления заготовки и расчёт усилия зажима.

Выбор конструкции и расчёт зажимного механизма.

Выбор конструкции и расчёт силового привода,

Разработка конструкции корпуса.

Разработка вспомогательных элементов.

Расчёт погрешностей установки заготовки в приспособление (выполняется после разработки рабочего чертежа заготовки).

Конструкторская часть включает разработку рабочего чертежа приспособления, которая начинается с вычерчивания контура закреплённой заготовки. Контур заготовки обычно выполняется в двух или трёх проекциях с разнесением их на расстояния, достаточные для изображения всех элементов приспособления.

Затем последовательно к изображенному контуру заготовки подчерчиваются установочные элементы, детали зажимного механизма и силового привода, корпус приспособления, элементы для направления режущего инструмента (для сверлильных приспособлений) и вспомогательные элементы приспособления.

Общий вид приспособления обычно вычерчивается в натуральную величину (масштаб 1:1) в полном соответствии с требованиями ЕСКД.

На чертеже приспособления проставляются размеры, которые по точности исполнения можно разделить на три группы.

1. К первой группе относятся те размеры приспособления, от точности, исполнения которых зависит точность обрабатываемого размера заготовки. Например, расстояние между осями кондукторных втулок влияет на точность координат просверленных отверстий, точность расположения рабочих поверхностей сменных кулачков токарного патрона относительно оси его вращения влияет на величину соосности базовой и обрабатываемой поверхностей заготовки и т.д. Допуски на данные размеры определяют из условия обеспечения заданной погрешности установки заготовки путём решения размерных цепей.

2. Ко второй группе относятся размеры, не связанные с точностью обрабатываемых размеров заготовки, но влияющие на работоспособность отдельных механизмов приспособления (например, размеры сопряжений зажимного механизма, силового привода и т.д.). Точность этих размеров назначают исходя из необходимости обеспечения нормальной работы механизмов приспособления в пределах 6, 7, 8 квалитетов

3. К третьей группе относятся настроечные, габаритные и справочные размеры. Точность их оговаривается в технических условиях и назначается в пределах 14….17 квалитетов, кроме настроечных.

На последнем этапе проектирования разрабатываются технические требования на сборку и отладку приспособления. Слова «Технологические требования» пишутся в том случае, если на чертеже общего вида даётся техническая характеристика приспособления. Последовательность назначения этапов технических требований следующая.

1. Погрешности формы и расположения установочных элементов, зажимного механизма, силового привода, элементов для направления инструмента, опорной поверхности и базирующих элементов корпуса приспособления и т.д. (например, непараллельность пов. В относительно опорной поверхности корпуса С не более 0,01 мм и т.д.).

2 Требования, предъявляемые к рабочей среде, силовому цилиндру, к сборке шлангов и трубопроводов (напр. «Рабочий цилиндр испытать давлением 10 МПА в течение 20 мин. утечки масла в соединениях и трубопроводах не допускается» и т.д.).

3. Технические требования на сборку и наладку вспомогательных элементов приспособления (напр., регулировка усилия пружины, установка средств автоматики и др.).

4. Требования на маркировку, окраску и транспортировку приспособления (напр. «Приспособление окрасить в синий цвет по ГОСТ… за исключением поверхностей К, М и Р»).

После разработки общего вида приспособления конструктор составляет спецификацию и приступает к выполнению рабочих чертежей деталей.

4. Разработка кулачкового самоцентрирующего патрона

Студенту выдается задание на проектирование патрона с механизированным приводом, исходные данные, для расчёта представлены в приложении 1.

В качестве примера выполним разработку патрона для базирования и закрепления заготовки типа вала при одновременном точении двух диаметров.

Расчет патрона

Сбор исходных данных

Вид и материал заготовки - штамповка, сталь д_В=850 МПа, НВ 180 - 220. Вид обработки - черновая.

Матерная и геометрия режущей части резца - резец сборный со сменной четырёхгранной неперетачиваемой пластиной из Т5К10 ц =45°, г=-2^о, л=0^о.

Режимы резания: глубина t=3,6 мм, подача S=0,5 мм/об, скорость резания V=85 м/мин.

Тип приспособления - одноместное универсальное наладочное (УНП) со сменными кулачками.

Металлорежущий станок - 16К20ФЗ наибольший диаметр патрона 400 мм, внутренний конус шпинделя-Морзе 6 [1], основные размеры конусов шпинделя по ГОСТ 12595-72 (Приложение 2)

Расчёт сил резания.

Расчёт сил резания выполним по методике изложенной в [3, стр. 271] При наружном продольном и поперечном точении составляющие P_z, Р_у силы резания рассчитываются по формуле:

P_z,y=10C_рt^XS^YVⁿK_p (4.1)

где: С_р, X, Y, n - постоянная и показатели степени для конкретных условий обработки. При обработке стали резцом, оснащенным пластиной из твёрдого сплава, равны; для расчёта Р_z

C_pz=300, Х_pz=1,0, Y_pz=0,75, n_pz=-0,15

для Р_у - C_ру=243, X_py=0,9, Y_py=0,6, n_ру=03

Поправочный коэффициент Кр представляет собой произведение ряда коэффициентов, учитывающих фактические условия резания:

К_р=К_мрК_цK_гPK_лр (4.2)

где: K_mp= (д _b/750)ⁿ - коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости (n' = 0,75 для стали) (Приложение 4).

К_цр - коэффициент, учитывающий влияние угла в плане резца на силы, равный при ц=45°для сил

К_цpz=1,0; K_цpy=1,0

К_ур - коэффициент, учитывающий влияние переднего угла резца на силы - при у= -2° (принимаем по (Приложение 5) ближайшее у= -0°). К_цpz=1/0; K_цpy=l, 4.

К_лр - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона режущей кромки: K_лрz=1,0_, K_лрy=1,0 (при л=0).

Подставив исходные данные в формулы 4.1 и 4.2, получим: P_z=3998 Н, Р_у=2030 Н.

Расчёт усилия зажима.

В процессе обработки заготовки на нее воздействует система сил, С одной стороны действуют составляющие силы резания, которые стремятся вырвать заготовку из кулачков, с другой - сила зажима препятствующая этому. Из условия равновесия моментов данных сил и с учётом коэффициента запаса определяются необходимые зажимное и исходное усилия.

В процессе выполнения задания необходимо разработать схему закрепления заготовки, согласно варианту задания, и выполнить необходимые расчёты.

Например, на рис. 4.2. представлена схема закрепления заготовки типа вала в кулачковом патроне при одновременном точении резцами двух шеек вала. Практика показывает, что при закреплении заготовок с соотношением диаметров и длины менее 2,5 (d_ср/l_общ <2,5) можно использовать схему консольного закрепления заготовка При d_ср/l> 2,5 для поддержки вала со второго конца используется вращающийся центр, устанавливаемый в пиноль задней бабки станка. В данном примере примем консольное расположение заготовки.

Суммарный крутящий момент от касательной составляющей силы резания стремится провернуть заготовку в кулачках, и равен для данного примера:

M_p'=(P_z'd₁/2)+(P_z» d₁/2)=(2P_z'd₁)/2=Pz'd₁ (4.3)

Провороту заготовки момент силы зажима, определяемый следующим образом:

M₃'=(Td₂)/2=(Wfd₂)/2 (4.4)

где W - суммарное усилие зажима приходящееся на 3 кулачка, Н.

f - коэффициент трения на рабочей поверхности сменного кулачка.

Из равенства моментов М_р и Мз определим необходимое усилие зажима, препятствующее провороту заготовки в кулачках.

W'=2KM_p/(fd₂)=(2KPz'dl)/fd₂

Значение коэффициента запаса К, в зависимости от конкретных условий выполнения технологической операции, определяется по формуле.

K=K₀K₁K₂K₃K₄K₅K₆, (4.6)

где К₀=1,5 - гарантированный коэффициент запаса; К₁ - коэффициент, учитывающий увеличение сил резания из-за случайных неровностей на обрабатываемых поверхностях заготовки: при черновой обработке К₁=1,2, при чистовой K₁=l, 0.К₂ - коэффициент, учитывающий увеличение сил резания вследствие затупления режущего инструмента (приложение 6)

Коэффициент К₃ - учитывает увеличение сил резания при прерывистом резании (при прерывистом резании К₃=1,2 для непрерывного К₃=1,0).

Коэффициент К₄ - характеризует постоянство силы, развиваемой зажимным механизмом. Для механизированных приводов К₄=1,0.

Коэффициент К₅ - характеризует эргономику немеханизированного зажимного механизма (удобство расположения органов зажима и т.д.). Для механизированных приводов К₅=1,0.

Коэффициент К₆ вводится в расчёт только при наличии моментов, стремящихся повернуть заготовку, установленную плоской технологической базой на опоры-штыри.

В данном примере коэффициент К равен:

K_pz=K₀K₁K₂=1,5*1,5*1.0=1,80

K_py=2,52

Коэффициент трения f между заготовкой и сменным кулачком зависит от состояния его рабочей поверхности.

Примем форму рабочей поверхности кулачка с кольцевыми канавками и f=0,3. Подставив в формулу 4.5 исходные данные получим:

W '= (2КР_z'd1)/fd₂= (2*1.80*3998*62)\0.3*43=69410Н

Сила Р_Y стремится вывернуть заготовку из кулачков относительно оси ОО₁ (4.2), создавая момент:

М_р''=Р_Y'l'+Р_Y«l» (4.7)

Данному моменту препятствует момент от силы зажима:

М₃»=T (2/3d₂)=2/3W"fd₂ (4.8)

Необходимая сила зажима равна:

W''=1,5K(P_Y'l' + P_Y«l»)/ fd₂=l, 5*2,52*(2030*50+2030* 100)/0,3*43=95410 Н

Для дальнейших расчётов принимаем наихудший случай; W=95410 H

При установке длинных валов (l/d_cp>2,5) осуществляется поджатие задним центром и поэтому в расчётах величины усилия зажима влиянием силы зажима Р_Y пренебрегаем, так как опыт показывает, что величина W'' в этом случае значительно меньше силы W'.

Величина усилия зажима W₁ прикладываемая к постоянным кулачкам несколько увеличивается по сравнению с усилием W и рассчитывается по формуле:

W₁=W/(1 - (3l_k/H_k)*f₁) (4.9)

где: l_k - вылет кулачка, расстояние от середины рабочей поверхности сменного кулачка до середины направляющей постоянного кулачка (рис. 4.3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.3

Н_k - длина направляющей постоянного кулачка, мм;

f - коэффициент трения в направляющих постоянного кулачка и корпуса (f=0.1 - для полусухого трения стали по стали).

Значения l_k и Н_k для расчётов принимаются на основе анализа ранее разработанных конструкций, На рис. 4.3 даны размеры на основе опыта ВАЗа. В данном примере примем; толщину сменного кулачка b_С=30 мм, постоянного - b_К+13=20+30=50 мм, ширину направляющей постоянного кулачка В_К=40 мм, ширину сменного кулачка В₁=25 мм, длину кулачка Н_К=80 мм, вылет - l_К=62 мм.

В процессе конструирования патрона, данные размеры могут несколько измениться, но это, как показывает практика, не вносит существенных изменений в расчёты усилий.

Подставив исходные данные в формулу 4.9 получим:

W₁=W/(l - (31_k/H_k)*f₁))=95410/(1 - (362/80*0,1))=123909 Н

Расчёт зажимного механизма патрона.

Приступая к расчёту зажимного механизма, необходимо определится с его конструкцией. В самоцентрирующих механизмах установочные элементы (в данном случае кулачки) должны быть подвижными в направлении зажима и закон их относительного движения необходимо выдержать с высокой точностью. Поэтому на движения кулачков накладываются условия: разнонаправленность, одновременность и равная скорость движения. Данное условие можно выдержать, обеспечивая движение трёх кулачков от одного источника движения (силового привода).

В кулачковых патронах наибольшее применение получили рычажные и клиновые зажимные механизмы, движение которым передаётся центральной втулкой (рис. 4.2 поз. 5) связанной с силовым приводом 9.

Рычажный механизм представляет собой неравноплечий угловой рычаг 1 (рис. 4.4) смонтированный в корпусе патрона на неподвижных осях 2, и который своими сферическими концами входит с посадкой в пазы постоянного кулачка 3 и центральной втулки 4.

Клиновый зажимной механизм (рис. 4.5) по конструкции проще рычажного и формируется втулкой 1 и постоянным кулачком 2. Для этого во втулке 1 выполнены наклонённые под углом б Т - образные пазы, в которые входят своими Т-образными выступами постоянные кулачки 2 (сечение А-А). При перемещении втулки 2 от силового привода кулачок 2 перемещается в радиальном направлении в направляющих корпуса 3 патрона. К постоянным кулачкам жестко крепятся сменные кулачки 4.

При расчёте зажимного механизма определяется усилие Q, создаваемое силовым приводом, которое зажимным механизмом увеличивается и передаётся постоянному кулачку (рис. 4.2, усилие W1)

Q=W_l/i_C (4.10)

где i_C - передаточное отношение по силе зажимного механизма (выигрыш в силе) Данное отношение для рычажного механизма равно

I_C._P._M.=A/B (4.11)

где А и В-плечи рычага (рис. 4.4)

Для клинового механизма

I_C._КЛ.\=l/tg (б+ц)+ tgц₁) (4.12)

где б - угол наклона клина (рекомендуемое значение 15….30°),

ц и ц₁ - углы трения на поверхностях К и М кулачка и втулки (рис. 4.5) и определяемые по формуле

ц =arctg f₁= arctg 0,1=5°43

Можно принять ц=ц₁=6°.

Величину I_C._КЛ. можно, для разных углов скоса, определить по Таблице 12 [4, стр. 401]. Клиновый зажимной механизм рекомендуется применять в патронах, наружный диаметр которых менее 200 мм, при больших диаметрах предпочтение отдаётся рычажному зажимному механизму.

На этапе расчёта наружный диаметр патрона можно определить по формуле:

Дп=d₂+2Hк, (4.13)

где Нк - длина постоянного кулачка (рис. 4.3)

Например, в данном примере Дп= d₂+2H_K=48+2:80=203 мм - принимаем рычажный зажимной механизм с i_c=2 (окончательно уточнится после проектирования патрона).

Q=W/I_с.р=123909/2=61954 Н

Расчёт силового привода

Для создания исходного усилия Q используется силовой привод, устанавливаемый на задний конец шпинделя. В его конструкции можно выделить силовую часть, вращающуюся совместно со шпинделем и муфту для подвода рабочей среды. В качестве приводов наибольшее применение получили пневматический и гидравлический вращающиеся цилиндры.

В данной работе вначале следует попытаться применить пневматический привод, так как в любом производстве имеются трубопроводы для подачи сжатого воздуха, Диаметр поршня пневмоцилиндра определяется по формуле.

D=1,13 v(Q/P) (4.14)

Где: Р - избыточное давление воздуха, принимаемое в расчётах равным 0,4 МПА.

В конструкцию станка 1К620ФЗ возможно встроить силовой привод с диаметром поршня не более 120 мм. Если при расчёте по формуле 4.14 диаметр поршня получится более 120 мм, то следует применять гидравлический привод, где за счёт регулирования давления масла можно получить большие исходные усилия. При заданном усилии Q подбираем давление масла (Рг=1,0; 2,5; 5,0; 7,5; МПА), чтобы диаметр поршня не превышал 120 мм.

Ход поршня цилиндра рассчитывается по формуле:

S_Q=S_W/i_n (4.15)

где Sw - свободный ход кулачков, который можно принять равный 5 мм.

i_n=l/i_c - передаточное отношение зажимного механизма по перемещению. Значение Sq - принимать с запасом 10…15 мм.

В данном примере имеем: D=l. 13v(Q/P)=1,13v61954/0,4=429 мм - для пневмопривода, Для гидравлического привода при 7 МПА имеем D=102 мм. Принимаем D=110 мм, Sq=20 мм.

Типовые конструкции вращающихся пневматических и гидравлических приводов представлены в альбоме (Приложение 8) [5 стр. 41…43]

Расчёт погрешности установки заготовки в приспособление.

Данный раздел выполняется после разработки конструкции патрона и простановки размеров. Погрешность установки определяется по формуле:

Еу=v(Е²_Б+Е²_З+Е²_ПР), (4.16)

где Е_Б - погрешность базирования, равная при данной схеме нулю, так как измерительная база используется в качестве технологической.

Ез - погрешность закрепления - это смещение измерительной базы под действием сил зажима (в данном примере можно принять Ез=0)

Е²_ПР, - погрешность элементов приспособления, зависящая от точности их изготовления. На рис. 4.6 представлена размерная схема патрона с рычажным зажимным механизмом:

Е_у=щ_А?/2=0,5v(?²₁+?²₂+?²₃+?²₄+?²₅), (4.17)

где щ_А? - колебания замыкающего размера А_?,

?₁, ?₃ - погрешности, возникающие вследствие не сочности изготовления размеров Aj и Аз

(?₁ =Т_А1, ?₃= Т_А3)

?₂, ?₄, ?₅ - погрешности из-за колебания зазоров в сопряжениях (?_2,?₄,?₆=S_HБ-S_НМ);

?₅ - погрешность, появляющаяся из-за неточности изготовления плеч рычага, равная (?в задавать 0°30', 0°20', 0°10').

Погрешность установки не должна превышать величин: для черновой обработки.

Е^доп_у=Z^чист_мин(Z^чист_мин - минимальный припуск на чистовую обработку); для чистовой

Е^доп_у=0,3T_d,

где Т_d - технологический допуск на операционный размер.

Размерная схема клинового механизма представлена на рис. 4.7

Рис. 4.7

При расчётах в начале точность составляющих размерной цепи задавать по 7 квалитету и только в случае E^расч_y> E^доп_у ужесточать требования по точности размеров, дающих наибольшие погрешности.

4. Конструирование патрона и силового привода

По альбому [5] (Приложение 8) изучить конструкции кулачковых патронов и силовых приводов к ним, используемых на ВАЗе, и выбрать прототипы для конструирования. Конструкции патрона и привода вычерчивать в натуральную величину (М 1:1) в следующей последовательности: заготовка (тонкой штрихпунктирной линией) - сменные кулачки - постоянные кулачки - зажимной механизм - корпус патрона вспомогательные элементы. Патрон изобразить установленным на передний конец шпинделя, контур которого изобразить тонкими штрихпунктирными линиями, Конструкция элементов патрона представлена на рис. 5.1. (Приложение 9)

Конструирование силового привода начинать с вычерчивания заднего конца шпинделя, затем установить на него гильзу цилиндра, поршень, шток. Вычертить муфту для подвода рабочей среды и вспомогательные элементы.

На чертежах патрона и привода проставить необходимые размеры, посадки, сформулировать и написать в правом нижнем углу формата технические требования на сборку и техническую характеристику.

Результаты расчётов и конструирования оформить в виде пояснительной записки, по правилам стандарта СТП 2.201-87, и рабочего чертежа патрона с приводом, оформленным согласно методике.

Список источников

Обработка металлов резанием: Справочник технолога (А.А. Панов и др.; М.: Машиностроение, 1988, 736 с., ил.).

Горошкин А.К. Приспособления для металлорежущих станков: Справочник - 7-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1973, 303 с., ил.).

Справочник технолога машиностроителя. В 2-х томах Т2 (Под ред. А.Г. Косиловой 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985, 496 с., ил.).

Станочные приспособления: Справочник. В 2-х т. - T1 (Под ред. Б.Н. Вардашкина -1984, 592 с., ил.).

Николаев C.B. Приспособления для токарных и шлифовальных станков (альбом конструкций), Тольятти, 1987,43 с.

Размещено на Allbest.ru