Технологический процесс механической обработки детали "Винт"

13,8

0,92

1

035 Токарно-револьверная

12,85

0,86

1

040 Вертикально-сверлильная

1,35

0,45

2

045 Шлифовальная

3,65

0,6

1

050 Торцекруглошлифовальная

2,92

0,97

1

055 Торцекруглошлифовальная

3,05

0,5

1

060 Шлицешлифовальная

11,49

0,96

1

065 Резьбошлифовальная

11,35

0,95

1

Так как , то для детали «Винт» 5336-3401038 с годовым объемом выпуска N=42000 шт./год по полученным значениям принимаем тип производства - крупносерийный.

Для серийного производства характерно производства серий изделий, регулярно повторяющихся через определенный промежуток времени. Характерный признак серийного производства - выполнение на рабочих местах нескольких повторяющихся операций.

Количество деталей в партии для одновременного запуска определяется по формуле ():

, (1.33)

где а - периодичность запуска в днях, а = 3 дня.

шт

1.12 Обоснование выбора транспортных средств и разработка

планировки участка цеха

Заводской транспорт делится на три вида: 1) внешний, 2) межцеховой и 3) цеховой.

Внешний транспорт служит для связи завода с ближайшими магистралями и другими промышленными и хозяйственными предприятиями. Пути сообщения могут быть автомобильные, железнодорожные.

Межцеховой транспорт служит для перевозки грузов между цехами и складами. Транспортными средствами в этом случае являются электрические и автотележки, автомобили, автотягачи с прицепами, подвесные монорельсы с электрическими тельферами и железнодорожные пути - ширококолейные и узкоколейные.

Цеховой транспорт предназначен для перемещения грузов внутри цеха; он обслуживает станки, сборочные стенды, рабочие места, цеховые и складские помещения.

Выбор того или иного вида цехового транспорта зависит от следующих факторов: характера изготовляемой продукции, ее веса и размеров; вида производства и формы организации работы; размеров грузооборота (т. е. количества перемещаемых грузов); назначения транспорта; типа или размеров обслуживаемых транспортом зданий.

В каждом отдельном случае необходимо выбрать такой вид транспорта, который наиболее рационально и экономично обслуживал бы производственный процесс.

На нашем проектируемом участке в качестве транспортных средств применяются: электрические, авто- и ручные тележки; подвесная кран-балка с тельфером.

Электротележки легко маневрируют в цехах, не требуют широких проходов и больших радиусов закругления и благодаря резиновым шинам передвигаются совершенно бесшумно. Для пользования ими в цехах надо иметь гладкие дорожки (асфальтовые, бетонные). Скорость движения электрических тележек 6-15 км/ч.

Для подъема грузов на автомобили и электротележки без подъемных платформ применяются самоходные подъемники (автопогрузчики).

Монорельсы с тельферами (однорельсовые подвесные пути) применяются для передачи различных материалов, полуфабрикатов или изделий из цеха в цех, в склады для вывоза продукции, для передачи деталей со станка на станок, особенно при массовом или крупносерийном производстве, когда детали идут непрерывным потоком. Для указанных случаев этот вид транспорта очень удобен и широко применяется.

Монорельсы подвешиваются к несущим конструкциям здания или укладываются по ним по высоте не менее 2,5 м, считая от пола до нижней полки рельса. Для монорельсов применяется прокат двутаврового, коробчатого или специального профилей.

Наиболее распространенным средством верхнего транспорта в цехах является кран-балка. Преимущество её заключается в том, что, являясь одновременно грузоподъемным и транспортным средством, она обслуживает всю площадь цеха, причем ширина пролетов достигает более 18 м; грузоподъемность таких кранов доходит до 5 т и более.

На кран-балках управление производится с пола. Скорость передвижения кранов, управляемых с пола, не более 30 м/мин.

Производственные отделения и участки служат для размещения оборудования и рабочих мест, необходимых для выполнения технологического процесса обработки деталей и в некоторых случаях - для сборки узлов изделий. На проектируемом участке установлена кран-балка грузоподъёмностью 5 тонн. Она предназначена для перемещения тары с заготовками на производственный участок и загрузки тары с готовой продукцией, а также для монтажа и демонтажа узлов станков. На участке предусмотрены места хранения готовой продукции и заготовок, место контроля деталей после обработки и место мастера. Для станков предусмотрена централизованная подача смазочно-охлаждающей жидкости, сжатого воздуха, электроэнергии.

На каждом рабочем месте предусмотрено местное освещение. Для обеспечения пожарной безопасности предусмотрены огнетушитель переносной ручной, огнетушитель переносной пенный, колодец на сети с пожарным гидрантом и пожарный кран. Для перемещения детали между операциями механической обработки и к месту сборки предусмотрена транспортная тележка.

При проектировании участка механического цеха решаются в определенной последовательности, следующие основные вопросы:

1.Разработка задания для проектирования цеха исходя из производственной программы завода, чертежей, описаний конструкций и технических условий на изготовление изделия.

2.Выбор типов оборудования, выявление мощности и определение количества станков, потребного для выполнения заданной производственной программы, а также определение их загрузки.

3.Составление спецификации оборудования, приспособлений и инструментов с их характеристикой.

4.Определение общей потребности цеха в электроэнергии, газе, паре, сжатом воздухе, воде.

5. Определение необходимого рабочего состава и его численности.

6.Выбор типов и определение потребного количества цеховых транспортных средств и грузоподъемных устройств.

7. Разработка плана расположения оборудования на участке и определение производственной площади.

8. Определение количества оборудования и площадей вспомогательных отделений, а также площадей служебных и бытовых помещений.

2. КОНСТРУКТОРСКИЙ раздел

2.1 Патрон цанговый

2.1.1 Назначение и принцип работы

Цанговые зажимные устройства (или цанги) являются центрирующими зажимами. Их используют для установки заготовок по наружным и внутренним цилиндрическим поверхностям.

Они представляют собой разрезные пружинные гильзы. Одна из конструктивных разновидностей цанг представлена на рисунке 2.1. Угол конуса цанги 2= 30°…40°. Угол конуса сжимающей втулки изготавливают на 1° меньше угла конуса цанги. Материал - сталь 60Г. Рабочие поверхности лепестков подвергают закалке до 58…62 HRC. Цанги обеспечивают концентричность установки детали до 0,002…0,05 мм. Базовая поверхность закрепляемой детали должна быть обработана по 6…9 квалитетам точности.

2.1.2 Расчет патрона на точность

Приспособление для обработки заготовок является звеном технологической системы. От точности его изготовления и установки на станке, износостойкости установочных элементов зависит точность обработки заготовок.

Цель расчета на точность заключается в определении требуемой точности изготовления приспособления по выбранному точностному параметру и задании допусков размеров деталей и элементов приспособления.

Выбор расчетных параметров осуществляется в результате анализа принятых схем базирования и закрепления заготовки и приспособления, а также точности, обеспечиваемых обработкой размеров.

Приспособление рассчитывается на точность по одному параметру в случае, если при обработке заготовки размеры выполняются в одном направлении. После обоснования выбора расчетных схем и параметров следует приступить к непосредственному расчету приспособления на точность, т.е. определить точность приспособления по принятым параметрам. Расчет ?_пр при этом сводится к вычитанию из допуска выполняемого размера всех других составляющих общей погрешности обработки:

; (2.1)

где Т - допуск выполняемого размера, Т=0,87 мкм;

?_б; ?_з; ?_у; ?_и; ?_пи; k - соответственно погрешности: базирования, закрепления установки приспособления на станке, положение детали из-за износа установочных элементов, износа элементов приспособления и перекоса (смещения) инструмента;

? - экономическая точность обработки;

К_Т - коэффициент, учитывающий отклонение рассеяние значений составляющих величин от закона нормального распределения, К_Т=1…1,2;

k₁ - коэффициент, учитывающий уменьшение предельного значения погрешности базирования при работе на настроенных станках, k₁=0,8…0,85;

k₂ - коэффициент, учитывающий долю погрешности обработки в суммарной погрешности, вызываемой факторами, не зависящими от приспособления, k₂=0,6…0,8.

1. Погрешность базирования ?_б=0,015 мм. ([8],таблица 36)

2. Погрешность закрепления в цанговом патроне по предварительно обработанной базовой поверхности ?_з=0,08 мм. ([8],таблица 40)

3. Погрешность износа установочных элементов приспособления для ланногослучая составит ?_изн=0,03 мм.

4. Погрешность установки приспособления на станки ?_у=0,02 мм.

5. Погрешность от перекоса инструмента ?_пи=0.

6. Принимаем экономическую точность обработки ?=0,1

После подстановки значений величин в формулу получим:

мм.

Таким образом, анализ станочного приспособления на точность показывает соответствие погрешности требованиям.

2.1.3 Расчет патрона цангового на усилие зажима

При закреплении деталь смещается в осевом направлении на величину:

(2.2)

где ? - наибольший зазор между поверхностью детали и цангой.

Рисунок 2.1 - Схема цангового патрона с упором, ограничивающим осевое перемещение детали

Если имеется упор, предотвращающий осевое перемещение детали, то возникает трение между цангой и заготовкой. В этом случае:

 (2.3)

где W - требуемое усилие закрепления заготовки;

W^/ - сила, необходимая для сжатия лепестков цанги до выборки зазора ?;

? - угол трения между цангой и втулкой;

Силу W^/ можно найти, рассматривая лепесток цанги как консольно закрепленную балку, по отношению:

(2.4)

где Е - модуль упругости материала цанги; - длина лепестка от места заделки (утолщения в хвостовой части цанги) до середины конуса; у - прогиб лепестка, равный ?/2;

n - число лепестков цанги; J - момент инерции сечения лепестка цанги (сектора кольца) в месте его заделки,

(2.5)

где D - наружный диаметр лепестка цанги в месте заделки; S - толщина стенки лепестка;

- половина угла сектора лепестка.

Если принять Е=2,2?10⁵ МПа, то получим следующее соотношение для силы W^/:

- для трехлепестковой цанги

Силу W закрепления детали в цанге определяют по формуле:

(2.6)

где М - момент, развиваемый силами резания; R - радиус базовой поверхности детали;

f₁ - коэффициент трения между деталью и цангой; Р_z - осевая сила, сдвигающая деталь.

2.1.4 Расчет элементов приспособления на прочность

Прочность - одно из основных требований, предъявляемых к деталями приспособлениям в целом. Прочность детали может характеризоваться по ряду коэффициентов запаса или по номинальным допускаемым напряжениям. Вероятностные расчеты на прочность по коэффициентам запаса могут использоваться в отдельных случаях для высококачественных деталей машин и в исследованиях их надежности.

С помощью расчета можно решить две задачи:

1) проверку на прочность существующих деталей путем сравнения фактических напряжений с допускаемыми(проверочный расчет);

2) определение размеров сечения деталей приспособлений (предварительный проектный расчет).

В нашем случае нам необходимо решить вторую задачу и проверить наиболее опасное сечение цанги при зажиме заготовки.

Находим силу W₁, создаваемую одним лепестком цанги.

W₁=W/n, H (2.7)

где n - число лепестков цанги.

W₁=3993,7/3=1331,2 Н

На рисунке приведена схема поясняющая расчет цанги на прочность. Лепесток цанги условно заменяем на балку на 2-х опорах А и В. На цангу действует сила W₁, и реакции опор R_А и R_В. Принимаем l=17,5 мм, L=170 мм, L₁=40 мм.

Рисунок 2.2 - Расчет цанги на прочность.

Условие равновесия на ось у записываем в виде:

?F_y = 0 -R_А+R_В-W = 0;

?М_А(F_i)=0 R_В· L-W·(L-l)=0;

Находим реакции опор:

R_В= W·(L-l)/L₁=1331·(170-17,5)/40=5074,4 Н.

R_А= R_В- W₁ = 5074,4-1331,2=3743,2 Н.

Для нахождения изгибающего момента необходимо построить эпюру изгибающих моментов для того момента времени, когда цанга находится под действием сил W₁,R_А и R_В.(рисунок 2.2 ).

Момент в точке А:

М_А=0.

Момент в точке В:

М_В=R_A·L₁=3743.2·0.04= 149 Н·м.

Момент в точке С:

М_С=0;

Из эпюры изгибающих моментов видно, что опасным является сечение 1-1 под опорой В.

Необходимый диаметр опасного сечения можно определить по формуле:

(2.8)

где М_изг - изгибающий момент;

[] = 350 МПа - допускаемое напряжение при изгибе, МПа

Таким образом, определим допустимый диаметр в опасном сечении цанги:

м = 9 мм;

d=9 мм<40 мм.

Таким образом, расчет на прочность показал, что опасное сечение сможет выдержать заданную нагрузку в 1331,2 Н.

При расчете цангового патрона были определены его точность, усилие зажима и прочность опасного сечения. Из расчетов видно, что все определяемые параметры соответствуют требованиям работы станочного приспособления.

2.2 Приспособление для контроля радиального биения

2.2.1 Назначение и принцип работы

Контрольное приспособление предназначено для контроля радиального биения шейки и хвостовика по O30относительно оси Е с помощью индикатора часового типа.

Рисунок .23 - Эскиз контрольного приспособления.

1 - плита; 2 - центр передний(подвижный); 3 - контролируемая деталь; 4 - индикатор часового типа; 5 - задний центр(неподвижный); 6 - салазки; 7 - держатель.

С помощью рукоятки передний центр 2 смещается и устанавливается контролируемая деталь 3 в центрах 2 и 5. Фиксация детали производится с помощью подпружиненного переднего центра 2. Индикатор часового типа 4 вводится в соприкосновение с деталью 3 (с необходимой контролируемой поверхностью) и устанавливается стрелкой на ноль. Вращая деталь 3 и перемещая держатель 7 с индикатором 4 по салазкам 6 вдоль контролируемой поверхности детали 3, производят снятие показаний с индикатора 4 и делают соответствующие выводы.

Изделие считается годным, если отклонение стрелки индикатора не более:

для спиральной канавки не более 0,03

для хвостовика не более 0,03

для шейки не более 0,03

2.2.1 Расчет приспособления на точность

Расчет погрешности контрольного приспособления на точность сводится к сравнению расчетного значения с допускаемыми значениями на биение Т указанного на чертеже:

(2.9)

Расчетная погрешность приспособления состоит из погрешностей:

- погрешность базирования;

- погрешность установки и биения центров;

- погрешность установки приспособления на столе;

- погрешность перекоса направляющих;

- погрешность индикатора

(2.10)

а) погрешность базирования =0;

б) погрешность установки и биения центров = 0,005 мм;

в) погрешность установки приспособления на столе =0;

г) погрешность перекоса направляющих:

(2.11)

где ?i - односторонний максимальный зазор;

m - длина до места измерения детали;

l - длина направляющего элемента;

= 0,015+2 0,015 96/185?0,0306 мм;

д) погрешность индикатора = 0,005 мм;

Тогда:

Допускаемое значение биения на чертеже Т=0,03 мм.

Подставляя полученное значение в неравенство ( ) , получим :

Таким образом, полученная погрешность =0,0306 мм удовлетворяет условию неравенства , и, следовательно, является годным для контроля радиального биения детали винт 5336-3401038.

2.3 Кондуктор для сверления отверстия O4,9

2.3.1 Назначение и принцип работы

По своему назначению приспособление для сверления является специальным, так как в сборном виде рассчитано на применение только для определенной конструкции детали.

Деталь устанавливается на плиту 1, которая в свою очередь крепится на вертикально-сверлильном станке 2Н125. Деталь устанавливается в отверстие стойки 2 и базируется в приспособлении при помощи подставки 3, и посредством соединения шлица детали и вилки 6. В стойку вставляются две втулки: промежуточная - 4, кондукторная - 5. Вилка 6 крепится к стойке при помощи винта 9. После окончательной настройки можно просверлить отверстие 4,9^+0,048 мм.

Исполнительный диаметр инструмента (сверла, зенкеры, развертки) зависят от установленного допуска на обрабатываемое отверстие, и определяется с учетом разделения этого допуска запасом на износ. Обычно применяют:

; (2.12)

где Dном -номинальный диаметр обрабатываемого отверстия;.

Т_Д -допуск на обрабатываемое отверстие.

мм

2.3.2 Расчет кондуктора на усилие зажима

На заготовку при обработке в приспособлении действуют силы обработки, объемные или массовые силы (вес заготовки и др.), силы случайного и второстепенного характера, а также силы зажима и реакций элементов приспособления. При этом заготовка должна находиться в равновесии. Все перечисленные выше силы-величины векторные, имеющая каждая свое исправление и значение.

Выполнение требований, предъявляемых к зажимным устройствам, связано с правильным определением значений, направления и мест приложения сил зажима.

При расчетах следует определять требуемую силу зажима с учетом коэффициента запаса k, предусматривающего возможное увеличение силы резания из-за затупления режущего инструмента, неоднородности обрабатываемого материала, неравномерности припуска, непостоянства установки т т. д.

Коэффициент запаса k рассчитывается применительно к конкретным условиям обработки по формуле:

; (2.13)

где k₀=1,5 - гарантированный коэффициент запаса;

k₁=1,2 - коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки;

k₂=1 - коэффициент, учитывающий увеличение сл резания от прогрессирующего затупления инструмента;

k₃=1 - коэффициент, учитывающий увеличение силы прерывистом резании;

k₄=1,3 - коэффициент, учитывающий применение ручного зажима;

k₅=1 - коэффициент, учитывающий эргономику ручных зажимов;

k₆=1,5 - коэффициент, учитывающий установку детали на поверхность.

Для расчета усилия зажима на сверлильном станке используем формулу:

; (2.14)

где М - крутящий момент на сверле;

n - число одновременно работающих сверл;

f - коэффициент трения на рабочих поверхностях зажимов, для гладких поверхностей f=0,15;

Н

Рисунок2.4 -Кондуктор для сверления отверстий

2.3.3 Расчет кондуктора на точность

Приспособление для обработки заготовок является звеном технологической системы. От точности его изготовления и установки на станке, износостойкости установочных элементов зависит точность обработки заготовок.

Особенность сверлильных приспособлений заключается в наличии у них направляющих элементов в виде кондукторных втулок, износ которых является основной погрешностью, влияющей на точность.

При обработке отверстий инструмент направляется с помощью кондукторных втулок. При этом возможны его смещения или перекос.

При наличии в приспособлении элементов для направления режущего инструмента (кондукторные втулки) следует учитывать погрешность от перекоса инструмента с

В результате для расчета точности приспособления ?_пр можно использовать формулу:

; (2.15)

где Т - допуск выполняемого размера, Т=270мкм;

?_б; ?_з; ?_у; ?_и; ?_пи; k - соответственно погрешности: базирования, закрепления установки приспособления на станке, положение детали из-за износа установочных элементов, износа элементов приспособления и перекоса (смещения) инструмента;

? - экономическая точность обработки;

К_Т - коэффициент, учитывающий отклонение рассеяние значений составляющих величин от закона нормального распределения, К_Т=1…1,2;

k₁ - коэффициент, учитывающий уменьшение предельного значения погрешности базирования при работе на настроенных станках, k₁=0,8…0,85;

k₂ - коэффициент, учитывающий долю погрешности обработки в суммарной погрешности, вызываемой факторами, не зависящими от приспособления, k₂=0,6…0,8.

; (2.16)

где ? - минимальный диаметральный зазор между базой и жесткими цилиндрическими пальцами;

Т_d, T_D - допуски по диаметру.

мм

?_з=0,08мм;

?_у=; (2.17)

где L - длина обрабатываемой детали;

S - максимальный зазор в сопряжениях базирующих поверхностей;

L_шп - расстояние между шпонками.

?_у=мм;

Для опор с развитой поверхностью контакта

; (2.18)

где ?₂ - постоянные, зависящие от вида установочных элементов и условий контакта;

N - объем выпуска деталей;

Z - периодичность проверок.

.

При применении кондукторной плиты суммарная погрешность смещения инструмента относительно обрабатываемой детали определяется по формуле:

; (2.19)

где ?_пи1 - погрешность смещения (перекоса) инструмента от зазоров в направляющих кондукторных втулках;

?_пи1 - погрешность установки кондукторной плиты относительно приспособления.

(2.20)

(2.21)

где m - расстояние от поверхности заготовки до кондукторной втулки;

l - длина кондукторной втулки;

l₁ - длина обрабатываемого отверстия;

s - максимальный диаметральный зазор.

мм

Подставив все рассчитанные погрешности, подставляем в формулу ()

мм.

2.3.4 Расчет элементов кондуктора на прочность

Прочность одно из требований, предъявляемых к детали и приспособлениям в целом. Прочность деталей может характеризоваться по ряду частных коэффициентов запаса (прочность материала, степени ответственности детали, точность расчетных зависимостей и т.д.) или по номинальным допускаемым напряжениям.

С помощью расчета можно решить две задачи:

1. проверку на точность существующих деталей путем сравнения фактических напряжений с допускаемым ( проверочный расчет);

2. определение размеров сечений деталей приспособлений (предварительный проектный расчет).

Витки резьбы винта проверяются на смятие и срез:

1. напряжение смятия (среднее) в резьбе по формуле:

; (2.22)

где z - число витков на длине свинчивания

К_m - коэффициент неравномерности нагрузки по винтам резьбы с учетом пластических деформаций: К_m =0,56…0,75;

P - шаг резьбы, мм;

F - осевая сила на винте.

Определим силу F для винта М5:

Н

Н/мм²

90 Н/мм²

Условие выполнено.

2. напряжение среза в резьбе винта по формуле:

(2.23)

где k - коэффициент, учитывающий тип резьбы, для треугольной k=0,65

Условие выполнено

2.4 Шлицевая фреза

2.4.1 Назначение и конструкция шлицевой фрезы

Наибольшее распространение получили червячные шлицевые фрезы, предназначенные для обработки различных шлицевых валиков, имеющих прямолинейный профиль. Эти фрезы можно подразделить по конструкции и по методу получения профиля на несколько основных видов: червячные фрезы без усиков; червячные фрезы с усиками; червячные фрезы с удлиненным зубом; фрезы определенной установки; фрезы-улитки.

В основе конструкции всех перечисленных червячных фрез лежит обычная червячная фреза, работающая по методу обкатки. Червячная фреза и нарезаемый валик находятся в зацеплении. Профиль червячной фрезы представляет собой профиль рейки, а профиль нарезаемого валика -- профиль зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с рейкой. При относительном движении валика последний своей начальной окружностью катится по начальной прямой рейке без скольжения. Резание осуществляется за счет вращения фрезы. Таким образом, аналогично нарезанию зубчатого колеса с эвольвентным профилем в данном случае мы имеем обкатку.

Обыкновенные шлицевые червячные фрезы без усиков обеспечивают прямолинейный профиль стороны выступа валика, причем прямолинейный профиль обеспечивается не на всей глубине выступа. У основания шлица имеется некоторый переходный участок, ограниченный некоторой кривой. Наличие этого переходного криволинейного участка нежелательно. Чтобы обеспечить прямолинейный выступ валика, применяют шлицевые червячные фрезы с усиками. Зуб такой фрезы в нормальном сечении имеет небольшие выступы (усики) на углах, которые при фрезеровании валика врезаются глубже, чем вершина зуба фрезы, и тем самым обеспечивают в углах, у основания шлицев, небольшие углубления. Если глубина такой канавки будет больше глубины переходной кривой, то сторона шлица до пересечения ее с окружностью внутреннего диаметра шлицевого валика будет прямолинейной. Фрезы с усиками, обеспечивая правильную геометрию (прямолинейность стороны шлица), не дают возможности применять высокие скорости резания и большие подачи, так как усики фрезы являются слабым местом и быстро изнашиваются. Кроме того, шлицевый валик, обработанный фрезой с усиками, благодаря углублениям у основания шлица имеет меньшую прочность, чем валик без этих углублений. Поэтому следует применять червячные фрезы с усиками по возможности реже.

Задачу получения прямолинейного шлица по всей глубине (до основания) можно решить, применяя червячную фрезу с удлиненным зубом. Боковые стороны профиля зубьев этой фрезы работают по методу обкатки, как боковые стороны обычной шлицевой червячной фрезы. Но в отличие от обычной фрезы вершины зубьев такой фрезы обработаны по внутреннему диаметру валика и обрабатывают профиль впадины копированием профиля фрезы.

Фрезы с удлиненным зубом применяют для шлицевых валиков, у которых требуется сохранить прямолинейный профиль до внутреннего диаметра. Такая фреза должна быть установлена в определенном положении относительно оси нарезаемого валика. При установке фрезы ось детали должна совпадать с центром окружности вершин зубьев. Если у червячной фрезы с усиками или без усиков перемещение фрезы вдоль оси не изменяет профиля валика, то фреза с удлиненным зубом при перемещении вдоль своей оси и при неправильной установке будет обязательно искажать профиль валика.

Червячные фрезы с удлиненным зубом определенной установки представляют собой, строго говоря, режущий инструмент, не полностью работающий по методу обкатки. Такую фрезу необходимо также установить на оправке в строго определенном положении в заданной точке оси фрезеруемого валика, т. е. нельзя перемещать произвольно вдоль оси оправки, как это можно делать с обычной червячной фрезой. Зубья ее будут обрабатывать деталь путем постепенного врезания в материал. При этом фреза, имеющая винтовой зуб, связана с вращением детали так же, как и червячная фреза. Все зубья фрезы определенной установки производят предварительную обработку впадины, и только последний зуб, имеющий профиль, в точности соответствующий профилю впадины, окончательно обрабатывает впадину. Фрезы определенной установки применяют в тех случаях, когда профиль детали не может быть обкатан обычной фрезой. Примером таких деталей служат храповые колеса с остроугольной впадиной, шлицевые валики с сужающимися шлицами и т. д. Недостатком фрез определенной установки является сложность их изготовления.

Имеются также конструкции червячных фрез короткой длины, имеющих всего- навсего один или два витка. У этих фрез работа распределена между отдельными зубьями, имеющими разную высоту. Они несколько напоминают завиток панциря улитки и поэтому носят название фрез-улиток. “Фрезы-улитки” получили распространение при фрезеровании эвольвентных колес или различных неэвольвентных профилей, их применяют большей частью при фрезеровании крупных деталей.

Фреза-улитка представляет собой как бы винтовую протяжку. Каждый зуб фрезы срезает определенный слой металла, и только последний зуб, в точности соответствующий профилю требуемой впадины, обрабатывает впадину окончательно. Особенность конструирования шлицевых червячных фрез заключается в определении профиля зуба такой фрезы.

Фреза, совершая обкаточное движение, катится без скольжения по начальной окружности и образует при этом профиль детали. Необходимый профиль фрезы можно определить графическим способом, т. е. путем построения профиля фрезы по точкам; аналитическим способом, т. е. путем расчета координат кривой профиля фрезы; возможен также способ получения профиля фрезы механическим путем, при котором необходимый профиль фрезы обеспечивается специальным обкаточным механизмом затыловочного станка.

В практике конструирования фрез имеют распространение два первых способа.

Графический способ дает возможность наглядно представить себе обкатку. Однако недостаток его в том, что при графических построениях всегда возможны неточности, вызванные неточностями инструмента (циркуля, линейки и т. п.) и различной толщиной проводимых линий.

Аналитический (расчетный) способ позволяет с любой точностью вычислить координаты кривой профиля фрезы, но благодаря большому объему вычислений возможны ошибки в расчетах. Поэтому практически применяют оба способа, причем графическим способом проверяют наличие грубых ошибок в расчете профиля, аналитический способ позволяет применять ЭВМ.

2.4.2 Расчёт шлицевой фрезы

При проектировании шлицевой фрезы в соответствии с исходными данными и требованиями к обрабатываемой детали расчёт производим в следующей последовательности:

1. Выбираем материал режущей части фрезы сталь Р6М5.

2. Конструктивное исполнение инструмента: червячная фреза с усиками однозаходная с точностью изготовления - В.

3. Определяем наружный диаметр фрезы: d_a = 70 мм, при m = 5.

Наружный диаметр D_e червячной шлицевой фрезы выбирают с учетом достаточной жесткости оправки и прочности зуба фрезы. Можно использовать следующую приближенную формулу для проверки выбранного диаметра фрезы: d_a = 2 (H + т) + d, где m -- толщина тела фрезы (с учетом углубления шпонки); H -- полная высота зуба с учетом величины затылования К; d -- диаметр оправки (отверстия). Принимают для фрез диаметром d_a = 65 - 80 мм -- диаметр отверстия d = 21 мм; для фрез диаметром D_e = 80 - 100 мм -- d = 32 мм.

4. Число зубьев фрезы:

z_o = 360°/ ? = 360°/34,8° = 10,3;

где,

cos? = (d_a - 2·h_o)/d_a = (70 - 2·12)/ 70 = 0,821;

h_о - высота зуба фрезы: h_o = h_ао + h_fo;

h_ао = 1,2·m_no = 1,2·5 = 6 мм; h_fo = 1,2·m_no = 6 мм.

Полученное расчетом значение z_o округляется до ближайшего целого числа. Следовательно z_о = 10.

5. Передний угол на вершинной режущей кромке ?_а для чистовых и прецизионных фрез принимается равным 0°. Для шлицевых фрез его можно принять в пределах ?_а= 10...15⁰. Принимаем ?_а = 10°.

6. Задний угол на вершине зуба ?_а = 10...12°. Принятое значение ?_а проверяется расчетом заднего бокового угла ?_б:

tg?_б = tg?_б·sin?_no = tg10°·sin20° = 0,06;

?_б = arctg(0,06) = 3,45°.

Минимальное значение ?_б должно быть не менее 3°.

7. Величины затылования на вершине зуба определяются по формулам:

К = ?·d_a·tg?_a/z_o = 3,14·70·tg10°/10 = 3,8 ? 4.

с последующим округлением до чисел, кратных 0,5.

8. Длина L₁ рабочей части фрезы рассчитывается по формуле:

L₁ = 2·h_o·ctg?_no + ?·x·m_no = 2·12ctg20° + 3,14·4·5 = 60мм;

где,

x - коэффициент, принимаемый в зависимости от модуля, x = 4.

10. Полная длина фрезы

L = L₁ + 2·?_б = 60 + 2·5 = 70 мм;

где,

?_б - длина буртика,?_б = 5 мм.

11. Диаметр буртика d_б = d_a - 2·H -1 мм.(80)

12. Диаметр отверстия под оправку рассчитывается по формуле:

d_отв = 20·m_no^0,373 = 20·5^0,373 =28,3 мм.

Полученное значение округляется до ближайшего большего стандартного в соответствии с ГОСТ 9472-90. Там же выбираются размеры шпоночного паза с отклонениями.

13. Диаметр выточки в отверстии:

d_в = d_отв + 1,5 = 28,3 +1,5 = 29,8 мм.

14. Длина шлифованной части отверстия с каждой стороны:

?₁ = 0,2·L = 0,2·70 =14 мм;

15. Диаметр начальной окружности:

d = d_а - 2·h_ао - 0,25·К = 70 - 2·6 - 0,25·4 = 57 мм.

16. Угол подъема витков фрезы по начальной окружности:

sin?_mo = n_o·m_no/d = 1·5/57 = 0,039;

?_mo = arcsin(0,039) = 2°18'.

где,

n_o - число заходов фрезы;

Определение размеров профиля фрезы в нормальном сечении.

17. Расчетный профильный угол исходной рейки в нормальном сечении:

?_no = ?_n = 20°.

18. Модуль нормальный:

m_no = m_n = 5.

19. Шаг по нормали (между соседними профилями зубьев фрезы):

p_no = ?·m_n = 3,14·5 = 18,4 мм.

20. Расчетная толщина зуба в нормальном сечении на делительной прямой:

S_no = p_no - (S_n +?·S_ф) = 18,4 - (7,74 + 0,42) = 11,27 мм;

где,

S_n - толщина зуба колеса по дуге делительной окружности с

учетом необходимого бокового зазора в передаче:

S_n = ?·m/2 - ?S_у = 3,14·5/2 - 0,11 = 7,74;

?S_у - величина утоньшения зубьев нарезаемых колес для

образования бокового зазора после чистовой обработки.

24. Радиус закругления на головке и ножке зуба

r₁ = r₂ = 0,3·m_n = 0,3·5 = 1,5 мм.

26. Шаг по оси между двумя витками и толщина зуба:

p_хo = p_no/cos?_mo =18,4/cos2°18' = 18,388 мм;

S_xo = S_no/cos?_mo = 11,27/cos2°18' = 11,38 мм.

27. Ход витков по оси фрезы:

H = n_o·p_хo = 1·15,712 = 15,712 мм.

28. Направление витков фрезы - правое.

29. Направление винтовых стружечных канавок:

при ?=?_mo<4°канавки могут выполняться с осевыми (прямыми) и винтовыми канавками.

30. Осевой шаг винтовой стружечной канавки:

p_z = ?·d·ctg? = 3,14·57·ctg2°18' = 2284,9 мм.

31. Угол установки фрезы на станке:

? = ? - ? = 15°- 2°18' = 12°.

где,

? - угол наклона зуба на делительной окружности колеса.

3. Научно-исследовательский раздел

3.1 Диагностика как средство повышения надежности

Надежность любых технических средств, а тем более средств, работающих в автоматизированном или автоматическом режиме, является одним из основных свойств, по которому оценивается целесообразность применения этих средств в производстве. Надежность (по ГОСТ 27.002-83 )- свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность состоит из сочетания свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Для количественной характеристики надежности технологического оборудования в настоящее время принято использовать среднюю наработку на отказ (характеризует безотказность) - отношение продолжительности работы восстанавливаемого оборудования к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки, и коэффициент технического использования (комплексный показатель, характеризующий все свойства надежности) - отношение математического ожидания интервалов времени пребывания в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием, и ремонтов за тот же период эксплуатации.

Функциональный контроль применяют в процессе эксплуатации оборудования, а текстовой контроль, как правило, после изготовления, а также при ремонте. Конечной целью диагностирования является коррекция - устранение дефекта или его последствий. Применительно к ГПС коррекция означает либо исключение из технологического процесса неисправного элемента (сломанного инструмента, вышедших из строя станка, робота и т.д.), либо в случае его параметрического отказа, когда элемент ГПС работоспособен, но его характеристики изменились, перестройку технологического процесса. Например, в случае зафиксированного размерного износа режущего инструмента должна быть изменена управляющая программа обработки детали с учетом изменения размеров. Парирование дефекта может производиться за счет введения структурной или информационной избыточности (в ГПС заранее вводится резервное, избыточное оборудование- транспортная система, магазины инструмента и т.д.)

С целью повышения работоспособности автоматизированного оборудования, обеспечение заданной размерной точности изготовляемых изделий с достаточно низкой шероховатостью поверхности обработки предусматривается введение устройства диагностирования процесса резания.

3.2 Проблема надежности режущего инструмента в условиях

автоматизированного производства

При создании высокоавтоматизированных гибких производительных систем необходимо использовать специальные диагностические устройства, осуществляющие надежный автоматический контроль за состоянием основных узлов и процессов в станке при металлообработке. При этом особое внимание уделяется режущему инструменту и его работоспособности, так как несвоевременное обнаружение отказов инструмента может иметь самые различные последствия - от появления брака до аварии станка и т.д.

В связи с этим необходимо предусматривать контроль текущего состояния режущего инструмента с заменой отказавшего инструмента резервным, а при необходимости и с заменой забракованной заготовки, что предусматривается нормативно - технической документацией.

Автоматический контроль состояния и резервирование режущего инструмента позволяют:

1. Повысить надежность процесса металлообработки ( определять правильность его протекания, автоматически восстанавливать работоспособность станка при отказах инструмента.

2. Уменьшить расход инструмента.

3. Улучшить качества обработки и сократить брак.

4. Предохранить механизмы и узлы станка от поломки и преждевременной потери точности.

5. Повысить режимы обработки.

6. Реализовать "безлюдную технологию".

Все это приводит к необходимости использования автоматических систем диагностики состояния инструмента при работе станков автоматических производств.

Этот вопрос может решаться на разных уровнях:

1. Создание систем, контролирующих только целостность инструмента перед началом выполнения процесса обработки.

2. Непрерывный контроль поломок инструмента в процессе обработки.

3. Непрерывный контроль поломок инструмента в процессе обработки и периодическая или непрерывная оценка износа с целью коррекции положения инструмента и прогнозирование оставшегося ресурса работоспособности.

Использование диагностической системы того или иного уровня зависит от требований, предъявляемых к надежности работы станка, точности обработки, экономических показателей и т. д.

Выбор методов и средств контроля и диагностирования режущего инструмента тесно связан с изучением с наиболее распространенных отказов, причин возникновения и возможных последствий. При этом важно выявление таких отказов, которые приводят к большим простоям оборудования и высоким расходам.

Рабочие поверхности режущего инструмента в процессе резания подвергаются действию различного рода напряжений, высоких температур поверхностно-активных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), что уменьшает работоспособность инструмента из-за пластического деформирования, поломок, износа. Происходит износ. При этом конструктивные элементы режущей части инструмента разрушаются в результате постоянно нарастающего износа как по задней, так и по передней поверхности. В связи с этим повышается процент брака при обработке и увеличивается время восстановления нарушений в работе технологической системы (уменьшается производительность) К основным видам нарушений работоспособности режущего инструмента относят: износ, выкрашивание, поломки и скалывание.

Как показывает практика и эксперименты поломки вызывают большое число отказов в начале и середине работы инструмента. В начальный период работы инструмента идет повышенный размерный износ, затем, стабильный период нормального износа, практически пропорциональному пути резания.

У большинства металлорежущих инструментов нарушения работоспособности при выполнении различных технологических операций составляют: 10%- скалывание, 12%- отделение режущей части, 21%-поломоки, 22%- выкрашивание и около 35%- износ. При этом затраты времени на обнаружение и удаление вышедших из строя металлорежущих инструментов составляют около 10% от времени работы металлорежущих систем.

Таким образом, диагностированние износа режущего инструмента имеет большое значение для повышения надежности автоматизированного оборудования.

3.3 Классификация методов контроля состояния режущего

инструмента

Существующие методы активного контроля состояния режущего инструмента можно разделить на прямые и косвенные (рис. 3.1.):

Рис. 3.1 . Методы измерения износа режущего инструмента

а)прямые методы измерения. Эти методы предусматривают непосредственное измерение параметров износа, при этом контролируется износ (по лунке, образующейся на передней поверхности), расстояние от режущей кромки до центра лунки, глубина лунки, ширина ленточки износа по задней поверхности, уменьшение объема или массы инструмента, размерный износ режущей кромки, разброс размеров деталей в партии и т.д.. Указанные параметры могут быть определены радиоактивными, оптико-телевизионными, лазерными, электромеханическими, ультразвуковыми или пневматическими методами.

Радиоактивный метод основан на применении радиоактивных датчиков. Режущая пластина облучается нейтронами, и в процессе резания небольшие радиоактивные частицы инструмента отходят вместе со стружкой. Стружка проходит через измерительную головку, где измеряется уровень радиоактивности. Уровень радиоактивности стружки зависит от объема унесенного инструментального материала и, следовательно, от полного износа инструмента. Радиоактивные частицы предлагается размещать по границам зоны износа (рис.3.2. ) или на задней грани на уровне величины критического износа (hзкр). Падение радиоактивности означает, что зона износа распространилась дальше мест расположения радиоактивных частиц.

 

Рис.3.2. Режущий инструмент, оснащенный радиоактивными частицами

Недостатками данных способов являются низкая точность, сложная измерительная аппаратура, невозможность работы с переточенным РИ, необходимость работы с радиоактивными веществами. Поэтому несмотря на относительную простоту реализации данного способа, он практически не получил распространения.

Оптические и оптико-электронные устройства измерения износа основаны на том, что с изменением износа изменяется отражательная способность задней грани инструмента.

 

Рис.3.3 . Оптико-электронный датчик:

1- державка инструмента, 2- режущая пластина, 3- осветитель, LL - фокусирующие линзы, Pт - фотосопротивление.

В устройстве (рис. 3.3) оптико-электронный датчик фокусирует изображение на оптическую щель, за которой располагается катод фотоусилителя. Датчик обладает высокой разрешающей способностью: 0,0025 мм. Существует еще несколько схем применения подобных датчиков. На рис. 3.4 показана схема контроля износа шлифовального круга, особенностью которого является низкая отражательная способность. Поэтому на круг закрепляют две светоотражающие пластинки, одна из которых уменьшается в размерах с износом круга. Износ круга измеряется, как уменьшение отражательной способности этой пластины.

Учитывая развитие современной оптоволоконной техники, позволяющей упростить процесс измерения и высокую точность получаемых результатов, следует отметить перспективность применения данного метода измерения износа режущего инструмента. Недостатком способа является высокая чувствительность к внешним условиям эксплуатации (запыленность воздуха, влияние СОЖ и т.д.), что является существенным препятствием для его внедрения в производственных условиях.

 

Рис.3.4 . Схема блока измерения износа инструмента с низкой отражательной способностью:

1 - осветители, 2 - объектив, 3 -полевая диафрагма, 4 - конденсатор, 5 - два фотосопротивления, 6- блок сравнения, 7 - регистратор износа, 8 - отражающий элемент, находящийся вне зоны износа, 9 - отражающий элемент, находящийся в зоне резания, 10 - шлифовальный круг.

Пневматический метод основан на зависимости сопротивления истечению воздушной струи от расстояния между соплом датчика и контролируемой поверхностью. В таком методе измерения износа резца в качестве измерительного устройства используется пневматический датчик (рис.3.5). Предлагается сопло располагать в режущей пластине инструмента. С ростом износа инструмента сокращается расстояние между соплом и поверхностью резания детали. Это приводит к изменению сопротивления истечению воздушной струи.

Измеряя изменение этого сопротивления можно судить о размерном износе инструмента. Данный способ не лишен существенных недостатков. К ним необходимо отнести, во-первых, сложность практической реализации, связанную с необходимостью применения специальных конструкций инструмента с пневмоканалами, а также с обеспечением подачи воздуха при автоматической смене инструмента; во вторых, зависимость результатов измерения от точности и шероховатости поверхности "заслонки". Поэтому данный способ целесообразно применять только на отделочных операциях.

В ряде работ приведены описание и результаты испытаний системы непрерывного контроля износа инструмента при точении. Система основана на использовании дифференциального бесконтактного пневматического датчика, сопло которого расположено на державке резца в непосредственной близости от режущей пластины со стороны обработанной поверхности. Перед началом обработки давление в измерительной цепи балансируется таким образом, что нулевое показание регистрирующего прибора соответствует положению вершины резца, обеспечивающему получение требуемого диаметра детали.

 

Pис.3.5. Устройство для измерения радиального износа режущего инструмента:

1-державка резца, 2-опорная пластина, 3-режущая пластина, 4-измерительное сопло, 5-пневмоканал, 6-дроссель, 7-индикатор, 8-регулятор, 9-фильтр, 10-питающая сеть, 11-уплотнитель.

По мере износа инструмента увеличивается зазор между соплом и обработанной поверхностью, что соответствует положительному рассогласованию измерительной системы. Предлагаемая система может быть использована а станках с адаптивным управлением и автоматической сменой инструментов.

Электромеханический метод обеспечивает измерение износа инструмента в рабочем пространстве станка с помощью контактных датчиков при установке суппорта в позицию, определяемую конструктивным расположением измерительного устройства. В большинстве случаев измерительные устройства размещаются непосредственно на станке и в период измерительного цикла станок работает в режиме координатно-измерительной машины. При этом методе датчик располагают на задней бабке токарного гидрокопировального станка или закрепляют на передней стенке коробки скоростей. В приведенных системах измерение износа производится при подводе инструмента к датчику. Датчик преобразует перемещение щупа, движущегося по инструменту, в электрический сигнал, а о величине износа судят по разности измеренных сигналов датчика до и после обработки.

Достоинством этого способа является отсутствие влияния условий обработки на результат измерений. Однако данный способ может быть использован далеко не на всех станках, поскольку наличие в рабочем пространстве станка дополнительного устройства снижает универсальность станка и уменьшает его надежность. Стружка, смазка и СОЖ в ряде случаев делают этот способ не пригодным. К тому же необходимо учесть, что из-за лишних перемещений, необходимых для контроля износа инструмента, снижается производительность станка.

Ультразвуковой метод обеспечивает диагностирование состояния режущего инструмента, основанное на измерении длины режущего лезвия, за счет определения времени прохождения ультразвуковой волной заданного расстояния. Зная скорость и время распространения ультразвука в среде, легко определить известный путь.

Ультразвуковые колебания в среде в виде импульса возбуждаются пьезоэлектрическим источником. Если эти импульсы наталкиваются на препятствие, то часть энергии излученной волны отражается и возвращается к источнику излучения в виде эхо-импульса. В этот момент времени пьезопреобразователь переходит из режима излучения в режим приема.

Время между передним фронтом передаваемого импульса и передним фронтом эхо-импульса является временем прохождением импульсом расстояния передатчик-отражатель-приемник, которое может быть измерено с точностью до 1 нс. Установлено, что методом ультразвукового контроля можно измерить разницу пути с точностью +-2 мкм.

б)Косвенные методы измерения износа режущего инструмента. В связи со сложностями использования в производственных условиях прямых методов определения состояния режущего инструмента, в нашей стране и за рубежом проводились и проводятся многочисленные работы, направленные на использование возможности оценки состояния инструмента по измерению различных параметров процессов, сопровождающих резание. При использовании косвенных методов датчиками принимаются сигналы, поступающие от определенных участков инструмента, машины, заготовки и содержащие информацию о размерах и скорости износа инструмента.