Разработка конструкции технологии производства специального сверлильного станка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Литературный обзор по устройствам для сверления глухих отверстий в резине

1.1 Сверление отверстий

1.2 Устройства для сверления под шипы, их конструкция, работа и характеристики

2. Исследовательская часть

2.1 Исследование влияния подачи на диаметр вырезаемого отверстия

3. Конструкторская часть

3.1 Разработка 3D модели шпиндельного узла

3.2 Разработка решений по модернизации

3.2.1 Требования, предъявляемые к конструкции специального сверлильного станка

3.2.2 Анализ технологичности станка базовой конструкции

3.2.3 Разработка технических решений по повышению технологичности сверлильного станка

3.3 Конструкторские расчёты

3.3.1 Расчет пружин

3.3.2 Расчет толкателя

4. Технологическая часть

4.1 Разработка технологии сверления отверстий в резине

4.2 Разработка технологии регулировки и наладки шпиндельного узла

4.3 Разработка технологии сборки

4.4 Разработка технологического процесса изготовления детали

4.4.1 Назначение детали

4.4.2 Анализ технологичности конструкции детали

4.4.3 Выбор заготовки

4.4.4 Выбор и расчёт припусков на обработку

4.4.5 Выбор плана обработки детали

4.4.6 Определение типа производства и формы организации технологического процесса

4.4.7 Выбор оборудования

4.4.8 Выбор режущих инструментов

4.4.9 Выбор приспособлений

4.4.10 Выбор средств измерения

4.4.11 Расчёт режимов резания

4.4.12 Техническое нормирование операций

4.4.13 Обработка детали на станке с ЧПУ

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Расчет искусственного освещения

5.2 Меры по обеспечению устойчивости работы участка в условиях ЧС

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1 Управляющая программа для обработки корпуса трубчатого сверла на станке с ЧПУ



Введение

сверление устройство станок отверстие

В зимнее время года у автолюбителей возникает проблема езды по обледенелым или покрытым укатанным снегом дорогам. Решением этой проблемы является ошипование шин, которое ликвидирует некоторые неудобства для вождения автотранспорта, дает возможность более полно использовать скоростные и тяговые качества машины Одним из главных этапов в технологическом процессе оснащения шин шипами в условиях предприятия по ошиповке шин является сверление отверстий под шип в протекторе этой шины. Несовершенство конструкции и технологии сверления ведёт за собой выпадение шипа из тела покрышки. Российский рынок, в настоящее время, практически не обладает адекватными для потребностей транспорта техническими решениями в области сверления отверстий в шинах под шипы противоскольжения.

В результате проведенных патентных исследований, с учётом рекомендаций Главного производственно-технического управления Минавтотранса России и поправок Государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения, обобщения опыта применяемой в России технологии сверления отверстий в шине под шипы, в Лаборатории средств противоскольжения Вологодского государственного технического университета были разработаны устройства и методы для такого вида сверления. Технология и оборудование прошли апробацию в реальных условиях, конструкция станка постоянно совершенствуется.

Целью данного ВКР является конструкторско-технологическая отработка специального сверлильного станка, которая включает в себя модернизацию его отдельных узлов с устранением выявленных в процессе испытаний недостатков. Задачей проекта служит разработка мер для повышения производительности и безотказности работы, уменьшения экономических затрат на производство, повышения удобства управления и обслуживание специального сверлильного станка, а также повышение безопасности для рабочего во время эксплуатации оборудования.



1. Литературный обзор по устройствам для сверления глухих отверстий в резине

1.1 Сверление отверстий

Глухие (несквозные) отверстия в шашках беговых дорожек протектора для установки шипов можно получить двумя способами: в процессе вулканизации беговой дорожки непосредственно на заводе-изготовителе шин, естественно, только на «зимних» шинах. Отверстия получаются превосходного качества, однако требуют применения шипов строго определенных размеров. В связи с тем, что такая технология доступна только шинным или шиноремонтным заводам, другим единственно возможным в условиях предприятия по ошиповке шин, является сверление отверстий.

Сверление отверстий в резине может производиться двумя принципиально отличающимися друг от друга по конструкции инструментами: перовыми или трубчатыми свёрлами.

Возможно сверление отверстий в резине и обычными спиральными сверлами с помощью бытовой электродрели. Но не имеет смысла говорить о качестве полученных при этом отверстий и, соответственно, о качестве ошиповки.

Перовое сверло по внешнему виду напоминает обычное спиральное сверло, но с большим шагом и специальной заточкой. Перовое сверло представлено на рисунке 1.

Приемлемое качество отверстий при сверлении «пером» обеспечивается при частоте вращения сверла 16ч20 тыс. мин^-1. Диаметр отверстия, который должен составлять 35% диаметра шипа, практически не отличается от размера сверла. Глубина сверления устанавливается с помощью специальной ограничительной втулки в зависимости от высоты шашек беговой дорожки протектора и типоразмера выбранного шипа.

Сверление отверстий может производиться вручную или на стендах пневматическими или электрическими сверлильными машинами. Если в 70-80-х годах приходилось ограничиваться отечественными пневматическими сверлильными машинами типа СМ-21-6 (12000 мин^-1) или случайными импортными. Но сейчас в продаже имеются высокооборотные малогабаритные пневмо- и электросверлилки, например, японская пневматическая сверлильная машина UG-38 или электрическая BOSCH POL-600 A или иная модель.

Помещение, в котором производится сверление отверстий перовыми сверлами, должно быть оборудовано мощной вытяжной вентиляцией, т.к. образующиеся при резании мелкие частицы и продукты горения резины вредны для здоровья. После сверления трёх - четырёх отверстий, сверло необходимо смачивать специальной эмульсией или просто мыльной водой. Это делается не только для охлаждения, но и для смазки боковой поверхности сверла, т.к. основной причиной нагрева служит трение сверла о стенки отверстия. С увеличением скорости резания непропорционально резко возрастает нагрев сверла и стенок, приводящий (при чрезмерном превышении оборотов) к горению резины. По мере затупления сверла снижается качество отверстий, поэтому перетачивать сверло следует после сверления каждых 500-800 отверстий (зависит от материала сверла, жёсткости резины и числа оборотов дрели). После переточки необходимо заново установить ограничительную втулку. Для быстроты и точности её установки целесообразно применять П-образные маркированные шаблоны. Глубина шаблона определяет длину рабочей части сверла, а маркировка соответствует общей длине шипа, под который сверлится отверстие.



Рисунок 1 Перовое сверло с ограничительной втулкой

Другим не менее распространенным инструментом для выполнения отверстий в резине является трубчатое (полое) сверло, которое представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 Трубчатое сверло

Небольшое число оборотов, необходимое для сверления (достаточно 800-1200 мин^-1), и отсутствие стружки или каких-либо других отходов резания (вырезаемая часть резины извлекается из отверстия целиком) являются бесспорными преимуществами трубчатого сверла. При работе ручной дрелью, для получения отверстия, сверло погружают в резину протектора до упора в ограничитель, а затем наклоняют на угол 40-50°, подрезая у основания столбик резины. Вырезанная часть остается в полости сверла и выдавливается из него через боковое отверстие в корпусе при сверлении следующего отверстия. Но при подрезании столбика, на стенке отверстия остается надрез, который в дальнейшем может привести к разрыву резины и выпадению шипа. Кроме того, наклон сверла можно осуществить только при работе пневмо- и электродрелью вручную. Если дрель закреплена на стенде - наклон практически неосуществим. Нужно искать другие пути.

В ЛСП Вологодского государственного технического университета совместно с фирмой «Простор» разработана технология сверления отверстий в резине протектора под ошиповку, основанная на принципе трубчатого сверления с эффективным использованием упругих свойств обрабатываемого материала. Полое сверло с режущей кромкой специальной формы обеспечивает возможность получения высококачественных глухих отверстий, которые отличаются отсутствием макро- и микродефектов, трещин, надрывов, заусенцев на стенках и донной части.

При этом отверстия, высверленные по данной технологии, могут быть стандартной цилиндрической формы или же могут быть переменного сечения - широкий вход, узкая средняя часть и расширение в нижней части.

Врезание трубчатого сверла в резину производится при невысоких скоростях, а отделение вырезанной части осуществляется путём заклинивания её в полости сверла и отрыва при продолжающемся вращении инструмента.

Вырезанная часть резины извлекается из образуемого отверстия целиком, стружки или каких-либо других отходов не образуется. Некоторые варианты вырезок из резины, полученных при сверлении отверстий под ошиповку по такой технологии, представлены на рисунке 3.

Эти вырезки являются «зеркальным отображением» отверстий. Шип, запрессованный в такое отверстие, плотно охватывается резиной. Как показали лабораторные и практические исследования, цилиндрическое отверстие, вырезанное в протекторе шины по данной технологии, обеспечивает эффективную работу шипов в течении всего срока их эксплуатации (не менее 30 тысяч км. пробега).



Рисунок 3 Варианты вырезок из резины

Отверстия переменного профиля имеет смысл использовать при ошиповке шин автомобилей, предназначенных для эксплуатации в тяжелых, а подчас и экстремальных условиях. Сверление таких отверстий требует определенных навыков, занимает больше времени. Но при этом, за счет уменьшения диаметра средней части отверстия, более эффективно используются упругие силы, удерживающие шип в резине.

1.2 Устройства для сверления под шипы, их конструкция, работа и характеристики

При больших объёмах производства работать с ручным инструментом тяжело. Получить отверстия заданных параметров, отличного качества и при этом избавиться от тяжелого труда позволяет станок, разработанный в фирме «Простор» г. Санкт-Петербург, представленный на рисунке 4.

В станке вместо сверла используется тонкостенная трубка с заостренными краями, закреплённая в цанговом зажиме. Трубка перемещается вместе со сверлильной головкой в вертикальной плоскости при нажатии на рукоятку.

Станок состоит из станины II, стойки I, кронштейна с опорно-поворотным устройством для установки шины IV и сверлильного блока III.

Автомобильная шина устанавливается на опорно-поворотное устройство IV и приподнимается над пятой 12 на 1,0-1,5 см вращением винта 11. Рукояткой 8 сверлильная головка 6 опускается вниз до упора ограничителя 7 в шину. Трубка 17 врезается в тело протектора и внутри неё образуется столбик резины, последний начинает сдавливаться, при этом он увеличивается в диаметре, заклинивается внутри трубки, принимая от неё вращение и отрывается у основания. Оторванный столбик резины извлекается из протектора, оставаясь внутри трубки при обратном ходе сверлильной головки вверх. При дальнейшем движении кольцо втулки 19 упирается в упор 20, тем самым ограничивая дальнейшее движение толкателя 18, при этом столбик резины выдавливается из трубки вниз.

Отверстие при этом получаются идеального качества, с ровными гладкими стенками без надрывов и надрезов, одинаковые по глубине и диаметру.

Станок позволяет регулировать глубину отверстия от 7 до 15 мм с точностью до 0,2 мм и менять диаметр отверстия в зависимости от диаметра применяемых шипов. Для регулировки глубины сверления надо ослабить винт 5, вращением рукоятки 4 опустить или поднять лапку ограничителя глубины сверления так, чтобы выступающая часть трубки 17 была на 1,5-2,0 мм. короче высоты шипа. Затем опустить винт и гайкой 9 установить выталкиватель 18 на 1,0 мм ниже нижней плоскости ограничителя сверления. Для получения отверстия другого диаметра необходимо открутить накидную гайку 23, вынуть цангу с трубкой, выкрутить толкатель 18 и на их место установить цангу, трубку и толкатель соответствующих размеров.



Рисунок 4 Сверлильный станок фирмы «Простор»

Часто случается, что в шинах с готовыми под шипы отверстиями, глубина отверстий не одинакова. Шиповать такую шину очень тяжело, легче просверлить все отверстия заново. Для правки мелких по глубине отверстий в комплект станка входит специальное правочное сверло. Для его установки надо вынуть цангу с трубкой и, вывернуть толкатель, установить на её место соответствующую цангу с правочным сверлом. Следует отметить, что правочное сверло не имеет ничего общего с перовым сверлом и позволяет получать неплохие (по сравнению с перовым сверлом) отверстия при небольших оборотах шпинделя, но не такие хорошие как трубчатым сверлом. Стойка станка приспособлена для размещения на ней оборудования одного или двух рабочих мест в зависимости от желания заказчика. Прекрасное качество отверстий, простота управления и обслуживания, высокая производительность и приемлемая стоимость позволяет использовать эти станки в технологическом процессе массовой ошиповки шин.

Вологодским государственным техническим университетом разработана конструкция специальных универсальных сверл С-2У и С-3У для сверления качественных отверстий в шинах. Специальное сверло С-2У предназначено для сверления отверстий при единичной и мелкосерийной ошиповке рисунок 5.

Рисунок 5 Универсальное сверло С-2У, установленное на электродрели

Изменение глубины отверстия обеспечивается изменением вылета режущей насадки, а для изменения диаметра отверстия насадку необходимо сменить.

Технологическая схема сверления представлена на рисунке 6.



Рисунок 6 Технологическая схема сверления отверстий

Технология процесса сверления:

а) сверло устанавливается в патрон электродрели;

б) режущая кромка вставки слегка прижимается к резине;

в) включается дрель и сверло врезается в протектор до упора;

г) при выключенной дрели штифт механизма отрыва вырезаемой части резины переводится в нижнее положение;

д) выключается дрель и после нескольких оборотов сверло выводится из готового отверстия. Дрель останавливается, вырезанная часть резины удаляется и сверло готово к повторению цикла.

Время сверления одного отверстия не более 2,0 сек. С учётом времени вспомогательных действий, обработка одной шины занимает 6-8 мин. После сверления 500-1000 отверстий режущая кромка начинает затупляться. Простейший способ заточки - заправить сверло в патроне той же электродрели с помощью полукруглого алмазного надфиля или мелкозернистой наждачной бумаги.

Повышенную производительность обеспечивает применение сверла С-3У, предназначенного для мелко- и среднесерийного производства рисунок 7.



Рисунок 7 Специальное универсальное сверло С-3У

Оно может устанавливаться как на электродрель, так и на стандартный или специальный сверлильный станок. Сверление одного отверстия занимает не более 1,0 сек., а обработка всей шины - 2-3 мин. Экономия времени достигается за счет непрерывной работы (механизм отрыва вырезаемой части резины автоматизирован и не требует остановки привода) и пневматического устройства для выброса вырезки резины из полости сверла.

Цикл сверления с помощью сверла С-3У включает следующие действия: производится врезание насадки в протектор шины до упора, после выдержки (5-6 оборотов) сверло выводится, вырезанная часть резины выбрасывается из полости насадки с помощью пневмоустройства

Сверло СС-3, входящее в комплект «ЁРШ», предназначенный для качественной ошиповки шин, в бытовых условиях представлено в комплекте с запрессовочным устройством ЭЗУ-01 и оправкой для осадки шипов. Сверло СС-3 представлено на рисунке 8.



Рисунок 8 Сверло СС-3 в комплекте «ЁРШ»

Этот инструмент отличается упрощенной конструкцией, не регулируется и не переналаживается.

Описанные конструкции охватывают практически всю гамму инструмента, применяемого при сверлении отверстий в шинах.

2. Исследовательская часть

2.1 Исследование влияния подачи на диаметр вырезаемого отверстия

Известен способ сверления отверстия под шип противоскольжения, заключающийся в том, что сверлят материал покрышки специально заточенным спиральным сверлом при скорости вращения сверла 20000 мин^-1. Для достижения таких оборотов вращения обычно применяют пневмосверлилки, работающие от сжатого воздуха при давлении до 0,8 МПа. При меньших скоростях вращения отверстие образуется с заусенцами, что ослабляет надежность крепления шипа в отверстии.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ сверления отверстия в резине, включающий сверление отверстия полым сверлом с последующим извлечением вырезанной части материала.

Недостатком данного способа является то, что отверстие имеет постоянный диаметр по глубине. Это снижает надежность закрепления шипа в отверстии, так как распределение напряжений растяжения в резине при посадке шипа в отверстие не равномерны по его глубине. Это вызвано сложной формой профиля шипа с выступами, отличающимися по диаметру в 2 и более раз. Обычно под шип сверлят отверстие диаметром 3 мм. При запрессовке в него шипа с диаметром фланца 12 мм в нижней части отверстия образуются максимальные напряжения в резине, которые могут привести к локальному разрыву и последующему разрушению материала, ослаблению закрепления шипа в отверстии и его последующему выпадению.

Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, повышение надежности посадки шипа в отверстие протектора шины за счет изменения диаметра отверстия в процессе сверления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сверления отверстия в протекторе шины под шип противоскольжения, включающем сверление отверстия полым сверлом и извлечение вырезанной части материала, дополнительно формируют переменный профиль стенки отверстия путем изменения величины подачи сверла.

Сверло состоит из полого корпуса, полого сверла, подпружиненного штока, закрепленного в его передней части с возможностью возвратно-поступательного движения, узла для осуществления совместного вращения корпуса и штока. Причем полое сверло по наружной поверхности выполнено сужающимся к рабочей кромке по криволинейной, преимущественно сферической форме, а узел, для осуществления совместного вращения корпуса и штока дополнительно снабжен запорным механизмом, состоящим из Г-образного паза.

Кроме того, полый корпус дополнительно содержит сквозные отверстия, расположенные на участке между штоком и полым сверлом.

В процессе сверления по мере заглубления сверла в протектор стенке отверстия придают профиль, повторяющий форму профиля устанавливаемого в нем шипа путем изменения подачи сверла в соответствии с профилем сверла, а именно, с уменьшением диаметра шипа по его длине увеличивают, а с увеличением диаметра уменьшают подачу сверла.

Шип противоскольжения, состоящий из корпуса, рабочего участка, включающего износостойкую вставку, и по меньшей мере одного фланца, отличающийся тем, что поверхность его рабочего участка выполнена выпукло-вогнутой.

В начале сверления, когда полое сверло вдавливается в материал протектора, образуются две характерные зоны. Зона сжатия, где резина сжимается от внешней нагрузки со стороны наружной поверхности сверла. Зона растяжения, где резина растягивается в направлении зоны сжатия. Описанную схему не изменяет наличие деформаций от сил трения между материалом и вращающимся сверлом. Дальнейшее высверливание отверстия зависит от величины подачи сверла, то есть от скорости заглубления сверла в материал. Если величина подачи большая, то обе зоны, сжатия и растяжения, испытывают большие напряжения. Следствием величины подачи сверла является диаметр высверливаемого отверстия. Чем больше подача сверла, тем меньше диаметр отверстия.

Отверстие с переменным профилем создает в материале резины на ее локальных участках более равномерное распределение напряжений растяжения.

Сущность изобретения подтверждается рисунками 9, 10, 11, 12:

Рисунок 9 Постоянный диаметр отверстия

Рисунок 10 Изменение диаметра отверстия при изменении подачи



Рисунок 11 График зависимости диаметра отверстия от величины подачи

Рисунок 12 График зависимости диаметра отверстия толщины стенки сверла

3. Конструкторская часть

3.1 Разработка 3D модели шпиндельного узла

Несмотря на то, что 2D-системы позволяют вполне успешно решать стоящие перед большинством пользователей задачи, по мере развития новых технологий все отчетливее проявляются серьезные ограничения, присущие плоскому проектированию.

Основной недостаток 2D-систем заключается в том, при создании плоского чертежа конструктору приходится мыслить не в терминах проектируемой детали - основание, отверстие, ребро жесткости, а в терминах традиционного набора геометрических примитивов - отрезок, дуга, окружность и т.д.

Если возникает необходимость внести в деталь какие-либо изменения, то их необходимо заново отобразить на всех видах детали, что опять связано с большими затратами времени.

Ограничения 2D-систем особенно наглядно проявляются, когда поверхность детали имеет сложную форму или когда необходимо построить аксонометрическую проекцию.

Большая трудоемкость построения сложных поверхностей и аксонометрических проекций может заставить конструктора отказаться от их изображения или упростить форму детали. В первом случае это затрудняет понимание проекта, во втором - снижает привлекательность изделия с точки зрения потребителя.

Список ограничений двухмерного проектирования можно продолжить и дальше. В него можно включить сложность понимания взаимного положения и взаимодействия деталей в сборочных единицах, сложность или невозможность передачи данных в системы инженерного анализа и подготовки управляющих программ для станков с числовым программным управлением и так далее.

Приведенные примеры позволяют сделать вывод, что использование только лишь двухмерных систем как средства проектирования и подготовки чертежей порождает серьезные проблемы и замедляет выпуск новых изделий.

Для решения этих проблем необходим переход на трехмерное моделирование.

Программа КОМПАС-ЗD V8 располагает эффективными средствами моделирования, которые позволяют создавать трехмерные модели самых сложных деталей и сборок. При проектировании деталей, используя наглядные методы создания объемных элементов, конструктор оперирует простыми и естественными понятиями: основание, бобышка, ребро жесткости, отверстие, фаска, оболочка и т.д. При этом процесс проектирования часто воспроизводит технологический процесс изготовления детали.

В любой момент, непосредственно на экране монитора, конструктор может выполнить разрез модели стандартными или дополнительными плоскостями проекций, или построить свой, самый невероятный разрез.

При проектировании сборочных единиц конструктор работает с деталями, сборками, подсборками и стандартными изделиями. В процессе построения трехмерных моделей сборочных единиц конструктор имеет возможность временно отключать отображение любых элементов. Это особенно удобно, если модель включает в себя корпусные детали, в которых размещены остальные компоненты изделия.

После построения ЗD-модели детали или сборки, либо непосредственно в ходе построения, конструктор может получить ее чертеж, избежав таким образом рутинного создания видов средствами плоского черчения. Для этого нужно лишь указать необходимые виды, провести линии разрезов или сечений. Плоский чертеж будет создан автоматически и с абсолютной точность, независимо от сложности модели. Полученный таким образом документ можно дорабатывать встроенными в систему средствами 2D-черчения: проставить размеры, обозначения позиций, заполнить основную надпись или подготовить спецификацию.

В программе КОМПАС-ЗD V8 объемные модели и плоские чертежи ассоциированы между собой. Это означает, что любое изменение, внесенное в модель, будет немедленно и точно отражено на всех видах чертежа.

КОМПАС-ЗD V8 располагает мощными средствами редактирования модели, которые позволяют задавать параметрические связи и ассоциации как между отдельными элементами деталей, так и между деталями в сборочных единицах. Это дает возможность быстро вносить изменения в проект и создавать различные варианты, как отдельных деталей, так и всего изделия в целом.

Например, для построения детали идентичной уже существующей, но с меньшей длиной, для построения второго варианта достаточно изменить значение размера, определяющего длину. После этого система перестроит модель с сохранением ее общей топологии.

Таким образом, для получения всех типоразмеров родственных деталей часто достаточно построения одной единственной модели.

По трехмерной модели система легко определяет ее физические характеристики: площадь поверхности, объем, координаты центра масс и т.д. Если пользователь определил свойства материала, то автоматически вычисляется масса. Это касается как деталей, так и сборок любой сложности.

Современные ЗD-системы снабжаются встроенными модулями, расширяющими их возможности: создание литейных форм, работа с деталями из листового металла, проектирование трубопроводов и т.д.

Твердотельные модели формы могут быть переданы в технологическую систему подготовки управляющих программ для станка с ЧПУ для изготовления в металле.

Трехмерные твердотельные модели включают в себя всю геометрическую информацию, необходимую для работы систем инженерного анализа. В этом заключается одно из главных преимуществ ЗD-моделирования. Такая модель может быть передана в какую-либо систему инженерных расчетов для выполнения ее анализа: расчёта напряжений и деформаций, частотного анализа для определения собственных частот и форм колебаний, тепловых расчетов и связанных с нагревом температурных деформаций и напряжений.

Работа этих систем основана на использовании метода конечных элементов, при котором трехмерная модель разбивается на элементарные объемные элементы различной формы, получаемые при нанесении на твёрдое тело сетки конечных элементов. Разбиение модели на сетку конечных элементов позволяет отразить реальную геометрию детали или узла и обеспечивает высокую точность решений.

Многие из современных систем инженерных расчетов не требует от конструктора подробного знания теории, на которой базируются расчёты методом конечных элементов. Имея в своем распоряжении трехмерную модель детали, пользователь должен выбрать необходимый ему вид расчёта, определить характер закрепления и внешние нагрузки, действующие на деталь, а также выбрать из библиотеки материал, из которого она будет изготавливаться.

Если модель представляет собой сборочную модель какого-либо механизма, то для нее может быть выполнен кинематический анализ с определением координат, скоростей, ускорений и сил взаимодействия отдельных ее звеньев. На основе заданных параметров некоторые системы позволяют создавать анимационные ролики, которые можно просмотреть с помощью стандартных средств Windows.

Трехмерная модель является гораздо более наглядным преставлением изделия, нежели ее плоский чертеж. Кроме создания любой аксонометрической проекции, 3D-системы позволяют легко строить разнесенные виды изделия, с помощью которых можно демонстрировать порядок сборки, разборки или технического обслуживания изделия. Такая возможность может быть очень полезной при подготовке технической документации и рекламных материалов.

Разнесенные виды и анимационные ролики могут быть использованы как наглядные пособия при подготовке производства, при обучении персонала, занимающегося техническим обслуживанием выпускаемой продукции, а также в отделе маркетинга для демонстрации заказчику возможностей и характеристик предлагаемой продукции ещё до выпуска первых опытных образцов.

Специальные подсистемы создания фотореалистичных изображений позволяют нанести на поверхность смоделированных деталей и узлов различные текстуры.

Такие системы позволяют выбрать для модели фоновое изображение. Данные о текстурах и фоновых изображениях выбираются из готовых библиотек, в которых присутствуют описания различных материалов. На основе информации о расставленных источниках света генерируются тени и полутени, придающие необычайную дстоверность компьютерному изображению еще не существующей реально конструкции.

В ходе выполнения ВКР были разработаны модели деталей, которые изменились при модернизации, а также детали которые, ранее не применялись.

На рисунках 13 - 17 показанных ниже представлены модели некоторых деталей шпиндельного узла. Модель шпиндельного узла представлена на плакате (смотри ВКР 150301.10.23.011.03.02.00.00).



Рисунок 13 3D модель ведомого вала

Рисунок 14 3D модель ведущего вала

Рисунок 15 3D модель муфты



Рисунок 16 3D модель корпуса

Рисунок 17 3D модель регулировочной гайки



3.2 Разработка решений по модернизации

3.2.1 Требования, предъявляемые к конструкции специального сверлильного станка

Специальный сверлильный станок должен обеспечивать точное, качественное сверление отверстий в протекторе шины.

Сверлильный станок должен быть достаточно простым по своей конструкции, надежным в работе, лёгким и удобным в обслуживании и управлении.

Конструкция привода рабочей подачи должна обеспечивать лёгкое и плавное перемещение ведомого вала с трубчатым сверлом в ходе технологического процесса по сверлению в резине. Привод главного движения должен обеспечивать равномерное и непрерывное вращение шпинделя. Конструкция шпинделя должна обеспечить надёжный выброс столбика резины из полости трубчатого сверла после каждого сверления.

Специальный сверлильный станок должен быть экономичным как в своей работе, так и в изготовлении. Устройство должно быть безопасным для обслуживающего персонала.

3.2.2 Анализ технологичности станка базовой конструкции

В процессе изготовления и эксплуатации специального сверлильного станка базовой конструкции выявлены следующие недостатки.

Трубчатое сверло изнашивается достаточно быстро. Период его стойкости составляет 300-400 отверстий, после чего требуется переточка. Полный износ сверла происходит после обработки 2000-3000 отверстий. После полного износа сверло не может больше использоваться. Сверло точное по конструкции и имеет высокую себестоимость.

Одним из путей повышения технологичности является разработка сборной конструкции, у которой хвостовая часть будет работать многократно, а режущая (трубчатая) часть будет заменяться по мере износа.

Привод подачи, обеспечивающий возвратно-поступательное движение ведомого вала шпинделя, отличается повышенной трудоёмкостью в изготовлении (в конструкции использовано более 40 деталей). Сложность конструкции связана с применением стального троса, который обладает пониженным ресурсом - обрыв отдельных нитей троса начинается после 200-250 тысяч циклов.

Повышением технологичности привода является применение жесткого звена вместо стального троса или же отказ от ножной подачи и применение ручной. Применение ножного привода освобождает руки рабочего для установки и перемещения шины по опорному устройству станка.

Применение клиноременной передачи в приводе главного движения увеличивает габариты консоли, требует применения натяжного устройства, увеличивает шумность. В процессе работы повышенный шум приводит к утомлению обслуживающего персонала, снижению работоспособности, ошибкам и травмам.

Для устранения этих недостатков достаточно установить двигатель на одной оси со шпинделем станка. При этом изменится конструкция шпиндельного узла.

Конструкция опорного устройства, применяемая в конструкции станка базовой модели, отличается повышенной материалоёмкостью, требует постоянной настройки, имеет повышенный горизонтальный габарит, не обеспечивает устойчивое положение шины.

В связи с недостатками конструкции опорного устройства, время на установку и снятие колеса составляет 20-30% от общего операционного времени.



3.2.3 Разработка технических решений по повышению технологичности сверлильного станка

Трубчатое сверло сборной конструкции состоит из двух деталей: корпуса и режущей трубки. Корпус изготавливается из стали 45, в нём предусмотрено посадочное место под установки трубки. Закрепление трубки производится при помощи пайки мягким припоем. Для обеспечения требуемой соосности трубки и корпуса сопряжение выполняется по посадке Н8/f8. Трубка изготавливается из износостойкой стали Х12М. Подвергается термообработке до твёрдости HRC 58-62. По мере износа режущей части трубки имеется возможность увеличить вылет трубки из корпуса. При полном износе, трубка заменяется на другую.

Установка двигателя на одной оси со шпинделем станка позволяет отказаться от применения клиноременной передачи. Для передачи вращения вводится муфта. Передача вращения шпинделю происходит через муфту, вставленную в регулировочную гайку, для этого в гайке сделано отверстие квадратного сечения. Данная гайка прикручивается к концу ведущего вала.

Применение данной конструкции создает необходимость изменения конструкции некоторых деталей, таких как толкатель, ведущий и ведомый вал, регулировочная гайка. Их конструкция становится более простой. Кроме того данная конструкция шпинделя позволяет отказаться от применения шкива клиноременной передачи и шпонки. Также эта конструкция позволяет уменьшить длину станка.

Разработанный механизм привода, в результате замены троса жёстким звеном, существенно упрощается. Количество деталей привода снизилось до 23. Детали в основном простые по конструкции. В качестве основного звена привода используется труба диаметром ¹/₂. Изменена конструкция верхнего рычага с вилкой, которая состоит из одной пластины сечением 2Ч25 мм, в этом случае вилка выполняется сварной. Изменяется конструкция опоры верхнего рычага.



3.3 Конструкторские расчёты

3.3.1 Расчет пружин

Для того чтобы выбрать оптимальный вариант шпиндельного узла, определим размеры пружин и осуществим проверочные расчёты жёсткости и напряжений.

Проведём расчёт пружины сжатия, расположенной в центральном отверстии вала и служащей для возврата толкателя в крайнее верхнее положение. Обозначим её «пружина №1».

Учитывая, что вес толкателя всего 100 гр, берётся сила пружины при предварительной деформации Р₁ = 1,0 Н; сила пружины при рабочей деформации (соответствует наибольшему принудительному перемещению подвижного звена в системе) Р₂ = 9,0 Н; рабочий ход h = 23 мм; наружный диаметр D = 10 мм; наибольшая скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении или разгрузке V_О = 3 м/с; выносливость - число циклов до разрушения N = 1·10⁷.

Пользуясь таблицей 1, применяется 1 класс выносливости пружин.

Интервал значений инерционного зазора пружины сжатия -

д = 0,05 ч 0,25. Находим граничные значения силы пружины при максимальной деформации Р₃:

где Р₂ - сила пружины при рабочей деформации,

Из полученного интервала принимаем силу Р₃ = 11,8 Н. Исходя из заданного диаметра и стремления обеспечить наибольшую критическую скорость, выбираем пружину со следующими данными: номер пружины 184 по ГОСТ 13767-68; диаметр проволоки d = 0,80 мм, наружный диаметр пружины D = 10 мм, жёсткость одного витка z₁ = 5,26 Н/мм, наибольший прогиб одного витка f₃ = 2,243 мм.

Для пружин 1 класса норма напряжений ф₃ рассчитывается по формуле:

(2)

где д_В - временное сопротивление, Н/мм².

Для диаметра проволоки 0,8 мм 1 класс - д_В = 2600 Н/мм².

Принадлежность к 1 классу проверяется путём определения отношения V_О / V_КР, для чего предварительно находим критическую скорость при д = 0,237 по формуле:

Полученная величина свидетельствует об отсутствии соударения витков, и, следовательно, выбранная пружина удовлетворяет заданным условиям.

Остальные размеры пружины определяются по следующим формулам:

- жёсткость пружины z:

- число рабочих витков пружины n:

- уточненная жёсткость z:

- при одном нерабочем витке, полное число витков:

где n₂ - число опорных витков.

- средний диаметр пружины D_О:

- индекс пружины с:

- предварительная деформация F₁:

- рабочая деформация F₂:

- максимальная деформация (при соприкосновении витков сжатия) F₃:

- высота пружины при максимальной деформации H₃:

где n₃ - число зашлифованных витков.

- высота пружины в свободном состоянии Н₀:

- высота пружины при предварительной деформации Н₁ (определяет габариты узла пружины сжатия):

- высота пружины при рабочей деформации Н₂:

- шаг пружины t:

- длина развёрнутой пружины L:

- масса пружины Q:

- объём W, занимаемый пружиной:

Расчёт пружины сжатия (пружина №2), которая поджимает трубчатое сверло, проводится аналогично, поэтому все результаты сводим в таблицу 1.

Таблица 1

Расчёт пружин сжатия

Обозначение	Величина
	Пружина №1	Пружина №2
1	2	3
P1, Н	1	9,5
P2, Н	9	15
h1, мм	23	23
V0, м/с	3	3
N	1·107	1·107
D, мм	10	12
д	0,237	0,17
P3, Н	11,8	18
d, мм	0,8	1
z, Н/мм	5,26	7,51
f3, мм	2,243	2,397
у3, Н/мм2	780	780
VKP, м/с	5,16	3,46
Zрасч, Н/мм	0,3478	0,687
n	15	10,9
n1	16	12
D0, мм	9,2	11
с	11,5	11
F1, мм	2,87	13,82
Обозначение	Величина
	Пружина №1	Пружина №2
F2, мм	25,8	21,83
F3, мм	33,9	26,2
H3, мм	12,4	11,5
H0, мм	46,3	37,7
H1, мм	43,43	23,88
H2, мм	20,5	15,87
t, мм	3,043	3,397
L, мм	471	422,4
Q1, кг	1813,5·10-6	2541·10-6
W, мм3	3291,9	2606,5

3.3.2 Расчет толкателя

Проведем конструкторский расчет толкателя в программе SolidWorks. Результаты расчета приведены на рисунке 18.

Расчет был проведен при осевой нагрузке, которая соответствует условиям эксплуатации и равна 20 Н. При анализе полученных результатов, видно, что наиболее опасным сечением, является сечение с наименьшим диаметром. Но при эксплуатационных нагрузках даже в этом сечении толкатель сохраняет свою работоспособность.

Рисунок 18 Эпюра напряжений

4. Технологическая часть

4.1 Разработка технологии сверления отверстий в резине

Автомобильная шина устанавливается на опорное устройство, расположенное под шпинделем станка. Нажатием кнопки включается привод станка. Поступательное движение в направлении шины шпиндель приобретает с помощью педального привода. Ниже описана последовательность действий при сверлении отверстий в резине смотри ВКР 150301.10.23.011.04.01.00.00.

Исходное положение. Верхняя часть толкателя 23 находится в контакте с полумуфтой 18, нижняя часть занимает всю полость режущей трубки сверла 1. Пружина 41 сжата.

При нажатии на педаль, движение через рычажную систему, подвижный подшипник 39 передает валу 3, который перемещается вертикально вниз. При величине хода вала 3 равного 16 мм конический штопор 10 ограничивает ход толкателя 23, который перемещался вверх под действием пружины 41, освобождая при этом полость режущей трубки. При дальнейшем нажатии на педаль, толкатель и вал перемещаются вниз одновременно, трубчатое сверло 1 приближается к протектору.

Режущая трубка сверла 1 врезается в тело протектора до упора торца направляющей втулки 6 в поверхность протектора. Образуется столбик резины внутри сверла 1.

При дальнейшем движении системы вниз, направляющая втулка 6, упираясь торцом в поверхность протектора, заставляет перемещаться трубчатое сверло 1 вместе с регулировочными шайбами 25 вверх относительно вала 3, сжимая пружину 42. Под действием конического штопора 10 толкатель 23 продолжает опускаться. Это продолжается до того момента, когда торец регулировочной гайки 7 приблизится к протектору на расстояние равное 1,0-1,5, мм. В это время толкатель давит на столбик резины, последний увеличивается в диаметре, заклинивает внутри трубчатого сверла, принимает от него вращение и отрывается у основания.

При обратном ходе сверло 1 выводится из протектора шины, под действием пружины 42 она вместе с регулировочными шайбами 25 и направляющей втулкой 6 принимает исходное положение. Толкатель 23 входит в контакт с полумуфтой 18, сжимая пружину 41, перемещается внутри режущей трубки сверла 1 и выталкивает из неё столбик резины.

Цикл работы станка завершён. Отверстия при этом получаются идеального качества, с ровными гладкими стенками без надрывов и надрезов, одинаковые по глубине и диаметру.

4.2 Разработка технологии регулировки и наладки шпиндельного узла

Сверление отверстий в шине на специальном сверлильном станке ВКР 150301.10.23.011.04.01.00.00 производится по схеме ошиповки данного типа протектора под заданный шип, при этом обеспечивается образование высококачественных глухих отверстий с оптимально выдержанными размерами.

При использовании шипов других типоразмеров (изменение диаметра или глубины сверления) станок следует переналадить. Изменение глубины сверления обеспечивается величиной вылета трубчатого сверла. Станок позволяет регулировать глубину сверления отверстий от 7 до 22 мм, с точностью до 0,2 мм.

Для увеличения глубины сверления необходимо при помощи ключа скрутить регулировочную гайку 7, извлечь из вала 3 направляющую втулку 6 и убрать регулировочные шайбы 25 (одну или более). Затем вставить втулку обратно в вал и закрутить гайку 7.

Для уменьшения глубины сверления все действия выполнить в том же порядке, но регулировочные шайбы 25 необходимо добавить.

В процессе настройки надо учесть, что глубина отверстия под шип должна быть на 0,5 - 1,0 мм меньше общей длины шипа.

Для установки требуемого диаметра отверстия, надо подобрать трубчатое сверло с соответствующим диаметром трубки. Затем необходимо скрутить регулировочную гайку 7, извлечь из вала 3 направляющую втулку 6 и регулировочные шайбы 25 (если они есть), выкрутить винт-шпонку 30, извлечь старое сверло и установить в вал, придерживая от выпадения пружину 41, нужное сверло. Затем закрутить винт-шпонку 30 в отверстие вала, при этом шпоночный паз на корпусе трубчатого сверла следует совместить с этим отверстием. После этого установить регулировочные шайбы, направляющую втулку и закрутить регулировочную гайку 7.

4.3 Разработка технологии сборки

Сборка - заключительный этап производственного процесса в машиностроении. Трудоёмкость сборки составляет 45 - 60% общей трудоёмкости изготовления изделий. Основные направления повышения производительности сборочных процессов - устранение пригоночных работ, рациональное построение технологического процесса сборки, механизация и автоматизация.

Исходными данными для проектирования технологического процесса сборки станка являются: сборочный чертёж станка, технические условия, размер программы выпуска, срок выполнения задания. Сборочный чертеж содержит все необходимые проекции и размеры, номера деталей и узлов.

Уменьшение качества наименований деталей и узлов машины, а также использование стандартных деталей снижают себестоимость изготовления сверлильного станка. Нормализация крепёжных деталей сокращает номенклатуру сборочных инструментов и позволяет более эффективно использовать средства механизации.

Сборка шпинделя производится в следующем порядке смотри ВКР 150301.10.23.011.04.03.00.00.

На ведомый вал 1 запрессовывается подшипник качения 40 и устанавливается стопорное кольцо 38, которое ограничивает осевое перемещение вала. Затем на ведомый вал 1 надевают распорную втулку 4. После этого на ведомый вал 1 запрессовывается еще один подшипник качения 40 и устанавливается стопорное кольцо 38. Полученную конструкцию вставляют в корпус 10, на концы которого крепятся крышки 15, которые фиксируются винтами М3. Ведомый вал в сборе.

После этого собираем муфту. Полумуфту 18 соединяем с прокладкой 19 и полумуфтой 17 и фиксируем винтами М5. Муфта в сборе.

Далее в ведомый вал 1 вставляется ведущий вал 2. В паз ведущего вала вставляется ходовая шпонка 26, на которую одевается крышка 13 и фиксируется винтами М2. Затем на ведущий вал 2 запрессовывается подшипник 39 и устанавливается стопорное кольцо 37. Потом на подшипник одевается корпус 12, сверху которого устанавливается крышка корпуса 14, которая фиксируется винтами М3. Затем вовнутрь ведущего вала вставляется коническая шайба 24. За ней вставляется пружина 42 и трубчатое сверло 22, которое фиксируется винтом М3. На трубчатое сверло надеваются регулировочные шайбы 25 и направляющая втулка 5. После этого на конец ведущего вала 2 закручивается регулировочная гайка 6. С другой стороны вала 3, также как и до этого вставляются коническая шайба 24, пружина 41 и толкатель 23. Далее в ведущий вал 2 закручивается конический штопор 9, на который одевается пружинное кольцо 8. На конец вала 2 устанавливается втулка 3, сверху которой закручивается регулировочная гайка 7. Далее в отверстие в регулировочной гайке вставляется муфта. Шпиндель в сборе.



4.4 Разработка технологического процесса изготовления детали

4.4.1 Назначение детали

Корпус трубчатого сверла, представленный на рисунке 19, предназначен для установки и крепления режущей части трубчатого сверла для сверления глухих отверстий в резине. На наружной части корпуса имеется продольный паз для ходовой шпонки, позволяющий производить перемещение вдоль оси, но не позволяющий проворачиваться вокруг оси.

Наружная поверхность диаметром 13f8 является посадочной поверхностью и выполняется с повышенной точностью. Режущая трубчатая часть сверла фиксируется и устанавливается методом пайки в отверстие диаметром 4H8, выполненное с повышенной точностью.

Вышеуказанные две поверхности имеют допуск взаимного расположения с целью наиболее точного положения режущей части сверла относительно шпинделя станка при установке.

Наиболее пригодной для изготовления корпуса трубчатого сверла является Сталь 45 ГОСТ 1050-88, состав приведён в таблице 2.

Механические свойства стали приведены в таблице 3.

Рисунок 19 Корпус трубчатого сверла

Таблица 2

Химический состав Стали 45

С, %	Si, %	Mn, %	S, %	P, %	Ni, %	O, %
			не более
0,40-0,50	0,17-0,37	0,50-0,80	0,045	0,045	0,30	0,30

Таблица 3

Механические свойства Стали 45

уТ,МПа	уВР, МПа	дБ, %	Ш, %	аН, Дж/см2	НВ (не более)
не менее		Горячекатаной	Отожженной
360	610	16	40	50	241	197

4.4.2 Анализ технологичности конструкции детали

Конструкция детали, её форма и размеры позволяют применить при обработке высокопроизводительное оборудование, в том числе станки с ЧПУ. Труднодоступных для обработки мест деталь не имеет. Все заданные размеры могут контролироваться непосредственным методом стандартными измерительными инструментами.

Деталь имеет одно сквозное ступенчатое отверстие, которое легко обработать с двух сторон при переустановке заготовки. Шпоночный паз на наружной поверхности закрытый с двух сторон. Закрытый паз обусловлен конструкцией сборочной единицы и замена его на открытый паз невозможна. Ко всем поверхностям детали предъявлены обоснованные требования по шероховатости.

4.4.3 Выбор заготовки

Корпус трубчатого сверла не металлоёмок и довольно не сложен в изготовлении. Важнейшим показателем, который характеризует использование металла, является коэффициент использования К_им. Он представляет собой отношение массы готовой детали к массе заготовки.

Для изготовления корпуса трубчатого сверла выбираем заготовку, изготовленную из калиброванной круглой стали диаметром 15 мм.

Себестоимость заготовки определяется по формуле:

где М - затраты на материал заготовки, руб;

?С_ОЗ - технологическая себестоимость операции разрезки на заготовки.

где СПЗ - приведенные затраты на рабочем месте, СПЗ = 60 руб./ч;

ТШТ - штучное время заготовительных операций, ТШТ = 1,5 мин.

Затраты на материалы определяются по массе проката и массе стружки.

где Q - масса заготовки, Q = 0,12 кг;

S - цена 1 кг материала заготовки, S = 25 руб./кг;

q - масса детали, q = 0,07кг;

SОТХ - цена 1 кг отходов, SОТХ = 900руб./кг.

Себестоимость заготовки:

Коэффициент использования материала штучной заготовки:

Это значит, что материал заготовки используется на 58%.

4.4.4 Выбор и расчёт припусков на обработку

Для детали, представленной на рисунке 19, припуски рассчитываются на два размера - наружный диаметр и длина заготовки. Припуски на наружный диаметр рассчитываем аналитическим методом, припуски на торцы - табличным.

Расчётно-аналитический метод.

Диаметр детали -

В таблице 4 записываем технологический маршрут обработки заготовки и соответствующие каждому переходу значения элементов припуска.

Суммарное значение пространственных отклонений для заготовок из проката при консольном закреплении в самоцентрирующихся патронах определяется по формуле:

где ?_К - удельная кривизна заготовки на 1 мм длины, мм;



Остаточное пространственное отклонение:

- после предварительного обтачивания:

- после окончательного обтачивания:

Погрешность закрепления определяем из справочных таблиц и заполняем соответствующие графы таблицы 4.

Таблица 4

Расчёт припусков и предельных размеров по технологическим переходам на обработку корпуса трубчатого сверла (наружный диаметр)

Технологические переходы	Элементы припуска, мкм	Расчетный припуск 2Zmin, мкм	Расчетный размер dр, мм	Допуск д, мкм	Предельный размер, мм	Предельные значения припусков, мкм
	Rz	Т	с	е				dmin	dmax	2Zпрmin	2Zпрmax
Заготовка	60	60	2			14,27	120	14,88	15,00
Точение черновое	50	50	5	20	2·401	13,47	100	13,47	13,57	1410	1430
Точение чистовое	30	30	3	60	2·160	13,15	80	13,15	13,23	320	340
Шлифование	10	20		30	2·90	12,97	22	12,97	12,99	185	243

Расчёт минимальных значений припусков производим, пользуясь основной формулой:

), (25)

Минимальный припуск:

- под предварительное обтачивание:

) = 2·401, мкм;

- под чистовое обтачивание:

) = 2·160, мкм;

- под шлифование:

) = 2·90, мкм;

Расчётный размер:

d_Р2 = 12,965 + 0,180 = 13,145, мм;

d_Р1 = 13,145 + 0,320 = 13,465, мм;

d_РЗАГ =13,465 + 0,802 = 14,267, мм

Наибольшие предельные размеры вычисляем прибавлением допуска к округлённому наименьшему предельному размеру:

d_max3 = 12,965 + 0,022 = 12,987, мм;

d_max2 = 13,15 + 0,08 = 13,23, мм;

d_max1 = 13,47 + 0,10 = 13,57, мм.

Предельные значения припусков определяем как разность наибольших предельных размеров, - разность наименьших предельных размеров предшествующего и выполняемого переходов. Полученные значения заносим в таблицу 4.

Схема графического расположения припусков и допусков на обработку корпуса трубчатого сверла представлена на рисунке 20.

Припуски на торцевые поверхности назначаем из справочных таблиц, значения припусков представлены в таблице 5.