Проектирование шпиндельной бабки фрезерного станка с ЧПУ

СОДЕРЖАНИЕ

1              Введение              3

2              Обзор и анализ конструкций фрезерных станков с ЧПУ              3

3              Описание конструкции проектируемого узла              5

4              Расчет режимов резания и выбор электродвигателя              5

5              Кинематический расчет              15

6              Расчет шпиндельного узла              18

7              Список использованных источников              23

1 Введение

В данном курсовом проекте представлена разработка шпиндельной бабки фрезерно-сверлильно-расточного гибкого производственного  модуля, класса точности "П".

Этот станок предназначен для обработки корпусных деталей из конструкционной стали (сталь 45) фрезерованием, сверлением и зенкерованием.

В проекте представлен расчет режимов резания, кинематический расчет, расчет самого шпиндельного узла и его графическое изображение              (сборочный чертеж) шпиндельной бабки.

2 Обзор и анализ фрезерных станков с ЧПУ

На фрезерных станках отрезают заготовки, фрезеруют плоские поверхности, пазы, уступы, криволинейные и винтовые поверхности, тела вращения, резьбы. Различают фрезерные станки с прерывистым циклом обработки (простые и универсальные, резьбофрезерные и др.), предусматривающие вспомогательный обратный ход или выключение подачи для снятия стружки и закрепления заготовки, и станки с непрерывным циклом, (с вращающимся столом, барабаном или конвейерного типа), на которых заготовки снимают и закрепляют во время рабочего хода.

Числовое программное обеспечение станком (ЧПУ) - управление обработкой заготовки по управляющей программе, в которой данные заданы в цифровой форме.     Под управляющей программой понимают совокупность команд на языке программирования, соответствующую данному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки. Различают позиционные и контурные ЧПУ. При позиционном управлении перемещение рабочих органов станка происходит в заданные точки , причем траектория перемещения не задается; при контурном управлении перемещение рабочих органов станка происходит по заданной траектории и с заданной скоростью для получения необходимого контура.

Адаптивное ЧПУ станком (адаптивное управление) обеспечивает автоматическое приспособление процессов обработки к изменяющимся условиям обработки по определенным критериям.

Рассмотрим некоторые модели станков:

Шпиндельная группа, отделенная от коробки скоростей. Такую шпиндельную группу применяют в вертикальных фрезерных станках гаммы ФП-27НЗ, ФП-37НЗ. Коробка скоростей и редуктор привода вертикальных подач размещены в одном корпусе и служат для привода соответственно вращения шпинделя и винта вертикальной подачи.

Основные технические параметры шпиндельной группы следующие: привод главного движения - электродвигатель постоянного тока с двухзонным регулированием; мощность привода 30 кВт, номинальная частота вращения ротора приводного электродвигателя 1500 об/мин; частота вращения шпинделя 20-3150 об/мин.

Коробка скоростей имеет пять валов, смонтированных на шарикоподшипниках высокой точности. Зубчатые колеса валов прямозубые, конические с криволинейным зубом, косозубые. Переключение блоков зубчатых колес осуществляется рычагами, перемещаемыми по шлицевым валам с помощью гидроцилиндров.

Шпиндельная головка имеет чугунный корпус с направляющими прямоугольного сечения. В корпусе смонтирован шпиндель с входящими в него опорными и крепежными элементами и устройством зажима оправки с режущим инструментом. Внутри корпуса находятся два стакана - передний и задний, в которых размещаются опорные элементы шпинделя. На заднем торце корпуса расположен гидроцилиндр, обеспечивающий выдвижение вперед захватывающей штанги, возврат которой выполняется с помощью тарированных тарельчатых пружин. Шпиндель в передней головной части имеет поверхность конусностью 1:12, на которой установлен двухрядный роликовый подшипник с короткими цилиндрическими роликами. Во втулках предусмотрен лабиринт для распределения и отвода смазывающей жидкости. Комплект подшипников через проставочные кольца закрепляется резьбовыми втулками посредством стаканов, причем резьбовые втулки контрятся на шпинделе тремя винтами.

Шпиндельная группа, встроенная в коробку скоростей, применяется в портальных продольно-фрезерных четырехкоординатных станках 2ФП-242В, предназначенных для обработки заготовок из алюминиевых и стальных сплавов.

Основные технические параметры шпиндельной группы: привод главного движения - от электродвигателя постоянного тока с двухзонным регулированием; мощность привода 30 кВт; номинальная частота вращения ротора приводного электродвигателя 1500 об/мин; частота вращения шпинделя 20-3150 мин-1.

Коробка скоростей имеет три вала. Приводной вал вращается в опорах, конец его посредством муфты соединен с валом электродвигателя. На валу размещен блок из двух зубчатых колес, перемещаемых гидроцилиндром по двум призматическим. На промежуточном вале размещен также зубчатый венец, который смонтирован на двух радиально-упорных подшипниках и постоянно находится в зацеплении с косозубым колесом, и блок, перемещаемый гидроцилиндром по двум призматическим шпонкам. Выходной вал представляет собой соосную со шпинделем втулку-ступицу, на которой размещены зубчатые колеса. Такая конструкция позволяет разгрузить задний конец шпинделя от радиальных нагрузок.

Шпиндельная группа включает в себя шпиндель, расположенный в пиноли. Пиноль имеет возможность перемещаться по оси на расстояние 100 мм для поднастройки. В передней опоре шпинделя для восприятия радиальной нагрузки используется двухрядный подшипник, а для восприятия аксиальной нагрузки - два радиально-упорных подшипника. В задней опоре шпинделя применяется радиальный двухрядный подшипник. Смазывание опор шпинделя выполняется масляным туманом.

Шпиндельная группа, встроенная в электродвигатель (электрошпиндель), применяется в быстроходных шпиндельных фрезерных и сверлильных головках в портальных раскройно-фрезерных станках.

Компоновка шпиндельной группы, встроенной в электродвигатель, выполняется в виде электрошпинделя с частотным регулированием и обычно применяется для высокой частоты вращения шпинделя. Такая шпиндельная группа выполняет одновременно функции ротора электропривода и шпинделя. Частоту вращения шпинделя устанавливают по программе от управляющего устройства. Компоновка отличается простотой конструкции. Обычно такие шпиндельные группы рассчитаны на обработку заготовок из легких сплавов фрезами диаметром до 12 мм при малых силах резания. Шпиндельные группы такой компоновки применены в пятикоординатных фрезерных станках РФП-4 и РФП-6.

Ее основные технические параметры следующие: электродвигатель асинхронный, питается током высокой частоты мощностью 7,5 кВт; частота вращения ротора 18000 и 9000 об/мин.

Вал с насаженным на него ротором вращается на радиально-упорных подшипниках. Передние подшипники закреплены жестко гайкой, упорными крышками и винтами, а задние установлены в корпус с зазором 0,006-0,008 мм на диаметр и закреплены гайкой. Корпус соединен с крышками болтами. Предварительный осевой натяг в подшипниках осуществляется благодаря комплекту пружин.

Смазывают подшипниковые опоры масляным туманом, который подается по штуцеру.

Статор охлаждается антикоррозийной жидкостью, которая поступает в полость корпуса из насосной станции. Рабочий конец вала имеет цилиндрическое отверстие для крепления оправки с режущим инструментом.

Конструкция шпиндельной группы должна быть такой, чтобы наряду с выполнением комплекса технологических команд достигалось сохранение точности вращения шпинделя (исключающее осевое и торцевое биение), а также суммарной жесткости всей группы с входящими узлами для предотвращения деформирования.

3 Описание конструкции проектируемого узла

Шпинельная бабка станка с ЧПУ состоит из:

-              корпуса

-              шпинделя

-              приводного вала

-              гидропривода для изменения скоростей

-              гидравлического зажимного механизма

-              системы подвода масла.

Корпус сделан из чугуна СЧ20 - литой, со съемной крышкой.

В корпус установлен шпиндель на опорах качения. Опоры качения – подшипники радиальные роликовые многорядные с короткими цилиндрическими роликами 3182000 и подшипник шариковый упорно-радиальный двухрядный с углом контакта 60  178824. Система смазки, применяемая в данном шпинделе - жидкая циркуляционная. Масло, применяемое для смазки подшипников, то же, что и для смазки зубчатых колес - " Индустриальное-20".

Привод осуществляется зубчатой передачей от электродвигателя 2ПНТ-160М через  приводной вал. На приводном валу расположен блок зубчатых колес, перемещающийся по шлицам с помощью гидропривода переключения подач.

4 Расчет режимов резания

4.1 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа торцевой фрезой Ø40 мм   (обработка черновая)

       Скорость резания.

;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.2 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа торцевой фрезой Ø40 мм   (обработка чистовая)

       Скорость резания.

;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.3 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа,

торцевой фрезой Ø120 мм (черновое)

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

4.4 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа,

торцевой фрезой Ø120 мм (чистовое)

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

4.5 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа,

концевой фрезой Ø8 мм (черновое)

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.6 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа,

концевой фрезой Ø8 мм (чистовое)

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.7 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа,

концевой фрезой Ø12 мм (черновое)

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.8 Фрезерование конструкционной стали σв=750МПа,

концевой фрезой Ø12 мм (чистовое)

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4. 9 Сверление стали σв=750МПа сверлом Ø7 мм

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.10 Сверление стали σв=750МПа сверлом Ø20 мм

       Скорость резания.

=;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

4.11 Зенкерование конструкционной стали σв=750МПа зенкером Ø7 мм

       Скорость резания.

;

       Частота вращения

;

       Сила резания и крутящий момент

;

;

  Мощность резания

.

4.12 Зенкерование конструкционной стали σв=750МПа зенкером Ø20 мм

       Скорость резания.

;

       Частота вращения

       Сила резания и крутящий момент

;

;

       Мощность резания

.

              Результаты расчетов режимов резания сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Режимы резания.

4.11 Выбор электродвигателя

Определение наименьшей и наибольшей частот вращения шпинделя и мощности, по режимам резания:

nmin = 275 об/мин;

nmax = 1903 об/мин;

Nmax = 15 кВт.

Выбираю с учетом станков прототипов и с учетом того факта, что на станке будут еще обрабатываться другие заготовки другим инструментом:

nmin = 30 об/мин;

nmax = 2000 об/мин.              

Выбираю электродвигатель 2ПНТ-160М, N = 15 кВт, максимальная частота вращения ротора          3500 об/мин, минимальная частота - =160 об/мин

5 Кинематический расчёт шпиндельного узла

5.1 Определяем диапазон  регулирования частот вращения шпинделя

.

5.2    Выбираем стандартное значение ряда

φ = 1,26.

5.3    Определение числа ступеней механического регулирования

;

,

Принимаю Z = 2.

5.4    Определяю общее число ступеней скорости шпинделя

5.5    Строим график частот вращения , рисунок 1.

n1=30 об/мин;                                                                                                 

n2=30*1,26 = 37.8 об/мин;                                                                                   

            n3=30*1,262 = 47.63 об/мин;                                                                         

График частот вращения шпинделя

              Рисунок 1

5.6 Строим кинематическую схему

Кинематическая схема изображена на рисунке 2.

Рисунок 2

5.7 Определяем число зубьев зубчатых колёс

НОК=63                                          

,т.к.число зубьев недопустимо мало, то увеличиваем     его в Е раз.

принимаю Е=2

5.8 Определение модуля зубчатого колеса

Колёса будем делать из стали 20Х

U=1/ і=4/5=0.8

             Ка=430

             Ψва=0,2

             Кнβ=1,4

Выбираем из стандартного ряда значений

;

Выбираю из стандартного ряда значений модуля мм

5.9 Определение степени точности зубчатых колес

Выбираю класс точности 5, косозубая передача.

Передача двигатель-коробка скоростей.

Принимаю z1=30

Принимаю z2=54.

5.10 Определение диаметров ведущего вала и шпинделя

Диаметр приводного вала

N=15 кВт

;

           Определяем диаметр шпинделя

кВт/мм

Принимаю диаметр шпинделя в передней опоре dшпинделя=120 мм.

Параметр быстроходности

Выбираю компоновочную схему №4

6 Расчет шпиндельного узла.

6.1 Расчёт опор

Выберем компоновочную схему шпиндельного узла на опорах качения по усреднённым предельным значениям параметра быстроходности.

Выберем компоновочную схему №4

Найдём зависимые параметры:

Dконца=(1…1,2)*Dшп=(1…1.2)*120=120…144мм

По ГОСТ 24644-81 выбираю Dшп=125 мм.

Dзад = (0,8…1)*D = (0.8…1)*120=96…120мм

Dмеж = (0,9…1)*D = (0.9…1)*80=108…120мм

Lприблиз = (3…5)*D = 360…600 выбираем L = 480 мм

6.2   Расчёт точности

По точности шпиндельные подшипники целесообразно рассчитывать по радиальному биению. Расчет допустимого биения каждого подшипника проводят исходя из допустимого биения переднего конца шпинделя. Если в передней опоре установлено 2 и более подшипников, тогда:

где m1 и m2 – число подшипников в передней и задней опорах шпинделя соответственно.

Примем , где - допуск на радиальное биение шпинделя.

Предположим, что влияние биения передней и задней опор на биение переднего конца шпинделя одинаково, тогда:

Рассчитаем точность передней и задней опор:

Допустимое биение переднего конца шпинделя для станка класса точности

«П»

Рассчитаем допустимое биение каждого подшипника:

6.3   Расчёт жесткости опор качения

6.3.1 Передняя опора (1)

Подшипники серии 3182124: D=180мм, d=120мм, B=46мм, Dw=15мм, Z=25.

, мм

, мм

, мм

                  , Н/мм

, Н

6.3.2 Задняя опора (3)

Подшипник серии 3182121: D=160мм, d=105мм, B=41мм

, мм

, мм

6.4   Расчёт радиальной жесткости шпиндельного узла.

Радиальная жесткость определяется из зависимости , где F-радиальная сила, а y – радиальное перемещение.

Радиальное перемещение переднего конца шпинделя можно представить как сумму .

Радиальное перемещение переднего конца шпинделя:

, где l – расстояние между опорами,  a - длина переднего конца шпинделя, Е – модуль сдвига, I1 и I2 – осевые моменты инерции межопорной части и конца.

Радиальное перемещение за счёт податливости опор:

,

где К1 и К2 – податливость передней и задней опор.

Радиальное перемещение за счёт сдвига шпинделя:

,

где - площадь сечения переднего конца шпинделя, - площадь сечения межопорной части шпинделя, G – модуль сдвига.

Осевые моменты инерции:

Межопорной части  , мм4

Переднего конца , мм4.

Радиальная жесткость

=116189.

6.5 Расчёт оптимального межопорного расстояния.

Уравнение податливости

.

Для определения оптимальной длины необходимо найти точку перегиба уравнения податливости. Для этого уравнение податливости дифференцируем по dl, приравниваем к нулю и решаем относительно l.

Получим:

Введя обозначения, получим:

Решаем уравнение аналитически. Применяя формулу:

lопт=U+V, где

, .

Тогда оптимальное межопорное расстояние равно:

6.6 Расчёт динамических характеристик

Q1, Q2, Qm – силы от веса переднего конца, патрона и межопорной части в Н, g = 9810 мм/с2, m0 – приведённая масса, Cr1 и Cr2 - жесткость передней и задней опор.

и отличаются более чем на 30 % значит резонанс невозможен.

Амплитуда колебаний.

, 

, м

7        Список использованных источников

1 Косилова А.Г. «Справочник технолога-машиностроителя» 1 и 2 том», издательство «Машиностроение»  Москва 1986г,656с.

2 Лизогуб В.А. «Проектирование шпиндельных узлов, направляющих и механизмов подач металлорежущих станков и станочных комплексов»

3 Перель Л.Я. Справочник  «Подшипники качения» Лещенко В.А.

4 Решетов Д.Н. «Детали машин», издательство «Машиностроение»  Москва 1989г.

5 «Станки с ЧПУ» (специализированные).

2