Разработка конструкции привода главного движения токарно-карусельного станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка конструкции привода главного движения токарно-карусельного станка



Введение

технический шпиндель кинематический

Первостепенное значение в ускоренном развитии индустрии имеет машиностроительная промышленность. Машиностроение является основой научно-технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства. Непрерывное совершенствование и развитие машиностроения связано с прогрессом станкостроения, поскольку металлорежущие станки вместе с некоторыми другими видами технологических машин обеспечивают изготовление любых новых видов оборудования.

Важной задачей станкостроения является совершенствование конструкций металлорежущих станков в соответствии с современным уровнем достижений науки и техники и с целью увеличения степени автоматизации, максимального повышения качества и эффективности в производстве.

Совершенствование конструкций металлорежущих станков направлено на повышение производительности, точности обработки, уровня механизации и автоматизации, надежности и долговечности; расширения технологических возможностей станков; создания универсальных станков, оснащенных упрощенными устройствами ЧПУ и промышленными манипуляторами, средствами активного контроля, соответствующей номенклатурой принадлежностей и приспособлений; использование широкой унификации и агрегатирования; внедрения систем адаптивного, числового и циклового программного управления и применение устройств автоматической смены инструментов и заготовок.

В настоящее время и в обозримом будущем потребуется создание новых моделей станков, станочных модулей, гибких производственных систем, поэтому будущие специалисты-станкостроители должны владеть основами конструирования станков и их важнейших узлов. Для успешного применения вычислительной техники при конструировании необходимо хорошо знать содержание процесса проектирования всех видов станочного оборудования, владеть методами его моделирования и оптимизации.

Современный станок органически соединил технологическую машину для размерной обработки с управляющей вычислительной машиной на основе микропроцессора. Поэтому специалист-станкостроитель должен хорошо понимать принципы числового программного управления станками, владеть навыками подготовки и контроля управляющих программ. Он должен знать устройства микропроцессорных средств управления, основные их характеристики и возможности применительно к станочному оборудованию.

Достижения станкостроителей свидетельствуют о больших возможностях в дальнейшем развитии станкостроения и оснащения отечественного машиностроения новыми высокопроизводительными станками.



1. Анализ конструкции современных металлорежущих станков аналогичных проектируемому

1.1 Описание конструкции и системы управления станка - прототипа проектируемого

Токарно-карусельный станок

Токарно-карусельные станки применяют для обработки тяжелых деталей большого диаметра и сравнительно небольшой длины. На этих станках можно выполнять почти все токарные операции.

Горизонтальное расположение плоскости круглого стола (планшайбы), на ко тором закрепляется заготовка, значительно облегчает ее установку и выверку. Кроме того, шпиндель разгружен от изгибающих сил, что обеспечивает более высокую точность обработки деталей. Токарно-карусельные станки изготовляют двух типов; одностоечные и двухстоечные. Станки с планшайбой диаметром до 1600 мм обычно одностоечные, а станки с планшайбами большего диаметра - двухстоечные.

Токарно-карусельный станок мод. 1512. Станок универсальный, предназначен для токарной обработки крупных деталей типа корпусов, маховиков и т.п. Общий вид одностоечного токарно-карусельного станка показан на рис. 1.1. Станина 1 жестко скреплена со стойкой 9, имеющей вертикальные направляющие для перемещения по ним траверсы 6 и бокового суппорта 10 с четырехместным резцедержателем 12. На станине на круговых направляющих расположена планшайба 2 для установки на ней обрабатываемых деталей или приспособлений. Коробка скоростей размещена внутри станины. На горизонтальных направляющих траверсы может перемещаться вертикальный револьверный суппорт 5 с пятипозиционной револьверной головкой 4. Привод подач револьверного суппорта и бокового суппорта 10 осуществляется от коробок подач 7 и 11. Перемещения револьверного суппорта вручную производят маховичками 8, а бокового суппорта - маховичками 13. Управление станком осуществляется от пульта 3.

Кинематическая схема станка приведена на рис. 1.2.

Рисунок 1 Токарно-карусельный одностоечный станок

Главное движение (вращение планшайбы) сообщается от электродвигателя 1 через клиноременную передачу 2 - 3 на вал I, затем через коробку скоростей, вал V, конические зубчатые колеса 25 - 26 и колеса 27 - 28 передается планшайбе. Коробка скоростей оснащена восемью электромагнитными муфтами, переключение которых позволяет сообщить планшайбе 18 частоты вращения в пределах от 5 до 250 об/мин.

Подачи суппортов (револьверного и бокового) заимствуются от планшайбы через две независимые коробки подач с одинаковой кинематикой. Каждая коробка оснащена восемью электромагнитными муфтами, переключение которых дает возможность получить 16 величин подач для обоих суппортов.

Рисунок 2 Кинематическая схема станка 1512

Горизонтальная подача револьверного суппорта. От вала VIII планшайбы через передачу 28 - 27, конические передачи 26 - 25, 24 - 23, передачу 29 - 30 и конические пары колес 31 и 53 движение передается на вал XII коробки подач (показана отдельно наверху слева). От коробки подач вращение получает вал XX механизма суппорта и далее через зубчатые колеса 52 и винтовую пару 65 горизонтальную подачу получает револьверный суппорт.

Вертикальная подача револьверного суппорта. От вала VIII планшайбы до вала XXI коробки подач вращение осуществляется по той же цепи; далее через конические зубчатые колеса 55 - 56, цилиндрическую пару колес 57, коническую пару 58 и винтовую пару 59 движение подачи получает револьверный суппорт.

Горизонтальная подача бокового суппорта. Как и прежде движение идет от вала VIII планшайбы до вала XII коробки подач, затем через коробку подач на вал XX и далее через зубчатые колеса 39 - 41 и винтовую пару 42 получает подачу боковой суппорт.

Вертикальная подача бокового суппорта. От вала планшайбы до вала XII коробки подач движение идет по той же цепи, затем через коробку подач вращение получает вал XXI механизма суппорта и через конические зубчатые колеса 35 - 36 и винтовую пару 43 получает подачу боковой суппорт.

Ускоренное перемещение оба суппорта получают от отдельного электродвигателя 104. Подъем и опускание траверсы осуществляются двумя ходовыми винтами 48 - 49 от электродвигателя 105.

Поворот револьверной головки вертикального суппорта производится от электродвигателя 106 через зубчатые колеса 60 - 61 - 62 и червячную пару 63 - 64.

Ручное перемещение револьверному суппорту сообщают от маховичков 102 и 103, а боковому суппорту - от маховичков 100 и 101.

1.2 Описание конструкции системы управления и принцип работы проектируемого узла

Привод главного движения токарно-карусельного станка, состоящий в общем случае из электродвигателя и коробки скоростей, предназначен для передачи крутящего момента от электродвигателя через ременную передачу и коробку скоростей через коническую и цилиндрическую передачи на планшайбу станка, обеспечивая при этом дискретные значения чисел оборотов шпинделя от до. Плавная и бесшумная работа передач, точное без вибраций вращение шпинделя необходимы для получения заданной точности и чистоты обработанной поверхности.

Принцип работы проектируемого привода главного движения заключается в конструктивном оформлении узла, это обеспечение переключения частот вращения планшайбы с помощью передвижных блоков.

Укажем некоторые технологические требования, которые необходимо учесть при проектировании коробки скоростей:

ь возможная простота конструкции, которая характеризуется общим количеством валов, колес, подшипников и деталей систем управления;

ь удобная механическая обработка корпуса коробки скоростей, как наиболее трудоемкой детали. Конструкция корпуса должна обеспечивать максимально возможное количество обрабатываемых поверхностей за одну установку;

ь уменьшение количества оригинальных деталей за счет применения одинаковых зубчатых колес по модулю и количеству зубьев, унификация конструкций и внедрение ранее освоенных заводом деталей и узлов;

ь обеспечение простоты сборки изделия с целью установки на станок уже собранной и обкатанной на стенде коробки скоростей;

ь для уменьшения шума и повышения плавности работы зубчатого зацепления предусматривать шлифование работающих, контактирующих поверхностей зубчатого зацепления.

Коробка скоростей проектируемого привода компонуется зубчатыми колесами, валами и подшипниками в корпусе и должна иметь минимально возможные габариты с целью уменьшения металлоемкости всего изделия.



1.3 Расчет и обоснование основных технических характеристик проектируемого узла

Проектируемый узел - привод главного движения. Максимальная частота вращения шпинделя , минимальная . Эффективная мощность привода . Число ступеней привода .

Определяем диапазон регулирования чисел оборотов шпинделя:

; (1.1)

где , - соответственно максимальное и минимальное числа оборотов шпинделя, об/мин.

Определяем знаменатель геометрического ряда чисел оборотов шпинделя:

; (1.2)

где - количество ступеней чисел оборотов шпинделя. [4]

Принимаем

Определяем промежуточные значения частот вращения, затем округляем полученные величины до стандартных значений в соответствии с нормальным рядом чисел в станкостроении ([1], стр. 37, прил. I).

1.4 Описание кинематической схемы проектируемого узла, построение структурной сетки и графика частот

На основе величин и выбираем оптимальный структурный вариант привода:

(1.3)

где - количество различных передач в каждой группе

- характеристика группы передач

Значения для должны удовлетворять условию:

для понижающих передач

для повышающих передач .

По выбранному оптимальному структурному варианту привода строим структурную сетку рис. 3.

Зная частоту вращения электродвигателя , строим структурный график чисел оборотов привода главного движения[4].

(1.4)

Строим график частот (рис. 4):

Определим передаточное отношение в каждой группе передач по формуле:

(1.5)

где - принятый знаменатель ряда чисел оборотов

- количество интервалов



Рисунок 3 - Структурная сетка привода

Рисунок 4 - График частот

Определяем числа зубьев:

Ориентировочно на входной передаче принимаем сумму зубьев равную 101, на промежуточной передаче - 106 и на выходной передаче - 108

Тогда с учетом всего вышеперечисленного имеем:

1.5 Расчет мощности привода и крутящих моментов

Эффективная мощность станка

Определение расчетной мощности электродвигателя

где - КПД привода (ременная передача - 0,95; 5 зубчатые передачи - 0,96; 6 пары подшипников - 0,99)

Тем самым получаем КПД равный 73%

Из условия , выбираем электродвигатель 4A200L6У3

Перегрузка двигателя будет составлять

Определяем мощность на каждом валу с учетом потерь на трение в подшипниках и зацеплениях зубчатых колес:

первый вал:



второй вал

третий вал

четвертый вал (шпиндель)

пятый вал (шпиндель)

четвертый вал (шпиндель)

Определяем крутящие моменты на каждом валу.

Для вала I

Для вала II

Для вала III

Для вала IV

Для вала V

Для вала VI

1.6 Расчет передач, устройств и механизмов проектируемого привода

Выбор материала

Для шестерен, от которых требуется высокая износостойкость, принимаем по таблице 4.1.1 сталь 45ХН ([2], стр. 43). Основные механические характеристики: твердость , термообработка - улучшение.

По таблице 4.1.2 ([2], стр. 43) рекомендуемых сочетаний материалов принимаем материал колес - сталь 45Х. Основные механические характеристики: твердость , термообработка - улучшение.

Для конической и последней цилиндрической передачи (для шестерни и колеса) по таблице 4.1.2 используем сталь 25ХГТ ([2], стр. 43). Основные механические характеристики: твердость, термообработка - цементация.

Определение модулей групп передач из условия прочности на изгиб

Для стальных прямозубых цилиндрических колес величина модуля рассчитывается по формулам:

- допускаемые напряжения на изгиб, МПа (3, стр. 3, табл. 4);

- расчетный крутящий момент на шестерне;

- коэффициент учитывающий форму зуба;

- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по ширине зуба;

- число зубьев шестерни (малого колеса);

- отношение ширины колеса к начальному диаметру шестерни;

Принимаем стандартный модуль

Принимаем стандартный модуль

Принимаем стандартный модуль

Принимаем стандартный модуль

Принимаем стандартный модуль

Определение предварительных диаметров валов.

Определяем предварительные диаметры валов из расчета только на кручение при пониженных допускаемых напряжениях[5]

(1.12)

где - допустимое напряжение кручения.

По конструкционным соображениям выбираем диметры валов

Определение межосевых расстояний.

Определяем межосевые расстояния[4]

(1.13)

Принимаем стандартные модули по ГОСТ 9563-60

Определение делительных диаметров зубчатых колес

(1.14)

1.7 Расчет шпинделя на жесткость и угол кручения

Определение сил, действующих на шпиндельный вал[7].

Окружное усилие на зубчатом колесе

(1.15)

где - начальный диаметр зубчатого колеса, мм.

Радиальное усилие на зубчатом колесе

(1.16)

где - угол зацепления.



Составление расчетных схем вала в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Рисунок 5 - Расчетные схемы вала в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Определение реакций опор в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Определение реакций опор производится по формулам теоретической механики с использованием уравнений статики[7].

Определение изгибающих моментов, суммарного, крутящего.

Определяем величины моментов для двух сечений: под шестерней и в передней опоре.

Рисунок 6 - Расчетные схемы вала в горизонтальной и вертикальной плоскостях и их эпюры

Определение величин моментов в различных сечениях производится по формулам сопротивления материалов.

Суммарный изгибающий момент в сечении[6]

- коэффициент для нереверсивной передачи.

Строим эпюры (рис. 6):

Определение запаса сопротивления усталости в опасных сечениях.

Для первого сечения под шестерней[7]

Где и - коэффициенты запаса по нормальным и касательным напряжениям.

(1.24)

Вычислим напряжения в сечениях

Где и - моменты сопротивления для полого круглого сечения.

Вычислим пределы выносливости вала в рассматриваемом сечении

Где и - коэффициенты снижения предела выносливости для шпоночного паза под колесом, а и для стали 40Х.

- коэффициент влияния асимметрии цикла для рассматриваемого сечения вала.



условие прочности соблюдается.

Расчет шпиндельного узла на жесткость и угол кручения[4].

Для составления расчетной схемы заменяем шпиндель балкой на шарнирных опорах (рис. 7)

Рисунок 7 - Схема для расчета прогибов шпинделя.

a = 0,13 м; b = 0,137 м; l = 0,683 м; Р₁ = 44576Н; Р₁ = 34000 Н; Е = 2,2•10¹¹ Па.

I₁=мм⁴ (1.25)

I₁ - среднее значение осевого момента инерции сечения консоли;

I₂ = мм⁴ (1.26)

I₂-среднее значение осевого момента инерции сечения шпинделя в пролете между опорами.

Упругое перемещение переднего конца шпинделя с учетом действия защемляющего момента в передней опоре

Прогиб переднего конца шпинделя:

где P₁ - сила резания; - коэффициент защемления в шпиндельной опоре; P₂ - сила в зубчатом зацеплении; j_A - радиальная жесткость в передней опоре; j_B - радиальная жесткость в задней опоре; E - модуль упругости материала шпинделя; I₁ - среднее значение осевого момента инерции консоли; I₂ - среднее значение осевого момента инерции шпинделя в пролете между опорами.

[] = (1…2)10^-4l = 20,2410^-5 м.

[] > - условие выполнено.

Угол поворота:

_A=.



Т.о. условие жесткости шпинделя по проверяемым параметрам выполнено.

1.8 Обоснование конструкции шпинделя, выбор материала выбор термообработки

Обоснование конструкции шпинделя

Передний конец шпинделя служит для базирования и закрепления планшайбы, на которую устанавливаются обрабатываемые детали или приспособления. Передние концы выполняют по государственным стандартам. Точное центрирование и жесткое сопряжение планшайбы со шпинделем обеспечиваются коническим соединением.

Концы шпинделей станков выполняют по ГОСТ 24644 - 81. Они изготавливаются 5 исполнения с конусами Морзе 30, 40, 45, 50 или 6 исполнения с конусами 50, 55, 60.

По таблице 6.6 ([3], стр. 143) определяем основные размеры переднего конца шпиндельного узла, мм: D₁ = 80; конус Морзе - 45; d = 32,4; d₃ - M8; L = 100; l₃ = 13; c = 9,5; n = 9,5; E/2 = 30; b = 19.

Остальные размеры шпиндельного узла выбираем исходя из конструктивных особенностей и технологичности.

Выбор материала для шпинделя и выбор термообработки

Материал для шпинделя выбирают, исходя из требований обеспечить необходимую твердость и износостойкость его шеек и базирующих поверхностей, а также предотвратить малые деформации шпинделя с течением времени (коробление) [4].

Шпиндели станков нормальной точности изготовляют из сталей 40Х, 45, 50 с закалкой ответственных поверхностей до твердости 48…56 HRC_э с использованием индукционного нагрева. Если его применение вызывает затруднения, шпиндели изготовляют из сталей 40ХГР, 50Х и подвергают объемной закалке до твердости 56…60 HRC_э.

Шпиндели станков с ЧПУ и многоцелевых станков, для которых требуется повышенная износостойкость поверхностей, используемых для центрирования и автоматического закрепления инструментов или приспособлений, изготовляют из сталей 20Х, 18ХГТ, 12ХНЗА с цементацией и закалкой до твердости 56…60 HRC_э.

Для шпинделей прецизионных станков применяют азотируемые стали 38ХМЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости 63…68 НRС_э.

Требования к твердости ответственных поверхностей шпинделя и толщине упрочненного слоя зависят от типа опор, точности станка и функции отверстия в переднем конце шпинделя. Наиболее высокая износостойкость, а значит, и твердость должна быть у опорных шеек шпинделей, устанавливаемых в подшипниках скольжения, наружной поверхности выдвижных шпинделей, опорных шеек шпинделей, устанавливаемых в подшипниках качения без внутреннего кольца. Относительно высокой твердостью должны обладать поверхности для установки цанг и других зажимных устройств, а также поверхности отверстий с конусностью 7:24.

Для изготовления шпинделя назначаем из стали 40Х с цементацией и закалкой до твердости 48…56 HRC_э[4].



2. Описание и расчеты системы смазки шпиндельного узла и привода главного движения в целом

Выбор смазочного материала. Жидкие смазочные масла хорошо отводят теплоту от шпиндельных опор, уносят из подшипников продукты изнашивания, делают ненужным периодический надзор за подшипниками. При выборе вязкости масла учитывают частоту вращения шпинделя, температуру шпиндельного узла и ее влияние на вязкость масла.

Систему смазывания жидким материалом выбирают исходя из требуемой быстроходности шпинделя с учетом его положения (горизонтальное, вертикальное или наклонное), условий подвода масла, конструкции уплотнений.

Выбираем циркуляционное смазывание без охлаждения масла для передней опоры, а для задней опоры смазку пластичным смазочным материалом.

Циркуляционное смазывание осуществляется автономной системой, предназначенной только для шпиндельного узла, или системой, общей для него и коробки скоростей. Масло подается в шпиндельную опору. Для улучшения циркуляции масла предусматривают отверстия в наружном кольце подшипника, в роликах. Чтобы обеспечить надежное попадание смазочного материала на рабочие поверхности подшипников, масло подводят в зону всасывания, т.е. к малому диаметру дорожек качения радиально-упорных шариковых и роликовых подшипников, которым присущ насосный эффект. Предусматривают свободный слив масла из опоры, благодаря чему не допускают его застоя и снижают температуру опоры. В резервуаре или с помощью специального холодильника масло охлаждается. С повышением частоты вращения шпинделя разница между количеством выделяющейся теплоты и отводимой от подшипникового узла увеличивается, а при высокой частоте вращения через подшипники невозможно прокачать нужный объем масла.

Прокачивание через шпиндельную опору нескольких тысяч кубических сантиметров масла в минуту не только позволяет надежное смазывание, но и обеспечивает отвод теплоты от опоры, т.е. создает режим «охлаждающего» смазывания. Расход масла при таком смазывании зависит от типа подшипника, частоты его вращения и вязкости масла. Дня конических роликоподшипников q= (5…10) d. Для радиально-упорных подшипников при d < 50 мм Q = 500. 1500 см³/мин, при d > 120 мм Q > 2500 см³/мин. Для смазывания упорно-радиальных подшипников при d = 30…80 мм Q = 100…1000 см³/мин, при d = 80…180 мм Q = 500…5000 см³/мин, при d> 180 мм Q = 2000… 10 000 см³/мин.



Выводы

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов, от всемерного внедрения методов технико-экономического анализа, обеспечивающего решения технических вопросов и экономическую эффективность технологических и конструкторских разработок.

В данном курсовом проекте была разработана коробка скоростей токарно-карусельного станка, которая соответствует заданному качеству, при минимальных экономических затратах. Элементы коробки расположены компактно, что позволяет сэкономить расход металла и уменьшить габариты станка в целом. В качестве переключения частот вращения применяли блоки зубчатых колес. Коробка скоростей обеспечивает получение 16 частоты вращения. Минимальная частота вращения n_min = 12.5 об/мин, максимальная - n_max = 400 об/мин.

Коробка скоростей выполнена в соответствии с современными тенденциями в области конструирования станков.



Список литературы

1. Ачеркан Н.С. «Металлорежущие станки». Т. 1. М., Машиностроение, 1965 г.

2. Ачеркан Н.С. «Металлорежущие станки». Т. 2. М., Машиностроение, 1965 г.

3. Кочергин А.И. Конструирование и расчет металлорежущих станков и станочных комплексов. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1991. - 382 с.: ил.

4. Л.В. Курмаз, А.Т. Скойбеда «Детали машин. Проектирование»: учеб. пособие - 2-е изд., испр. и доп. - Мн.: УП «Технопринт», 2002. - 290 с.

5. Проников А.С. «Металлорежущие станки и автоматы». М., Машиностроение, 1981 г.

6. Санюкевич К.Н. «Детали машин. Проектирование»: учеб. пособие Мн.: Лениздат, 1998. - 384 с.

Размещено на Allbest.ru