Разработка шпиндельной бабки токарного станка с ЧПУ с механизмом зажима заготовки

Российский государственный  университет нефти и газа им. И.М. Губкина

 

 

Кафедра "Стандартизации, сертификации и управления качеством  производства нефтегазового оборудования"

 

 

Расчётно-пояснительная  записка к 

курсовому проекту по дисциплине «Металлорежущие станки».

 

 

Тема проекта: Разработка шпиндельной бабки токарного станка с ЧПУ с механизмом зажима заготовки

 

 

Исполнитель проекта: студент группы МТ-09-5

Котков Д.В.    «                 »

Руководитель проекта: Лизогуб В.А.         «                 »

 

 

 

Москва 2012г.  

Содержание

Введение………………………………………………………………………..3

1. Обзор и анализ конструкций  токарных станков с ЧПУ………………….3

2. Описание конструкции  проектируемого узла……………………………..5

3. Расчет режимов резания. Расчет мощности и выбор привода……………5

4. Кинематический расчет…………………………………………………….16

5. Расчет шпиндельного узла (выбор опор и компоновочной схемы, расчет опор, Lопт, жесткости, точности, динамических характеристик)………….19

Заключение…………………………………………………………………….29

Список использованных источников………………………………………...30

 

 

 

Введение.

В данном курсовом проекте  представлена разработка шпиндельной  бабки токарного станка с ЧПУ  с механизмом зажима заготовки класса точности "П".

Этот станок предназначен для обработки деталей Æ 15 - 200 мм из стали и чугуна резцами, сверлами, зенкерами, метчиками.

В проекте представлен  расчет режимов резания, кинематический расчет, расчет самого шпиндельного узла и его графическое изображение  общего вида узла, продольный и поперечный разрез, вид спереди и вид сбоку.

1 Обзор и анализ конструкций узлов токарных станков с ЧПУ.

На станках токарной группы обрабатывают детали типа валов, дисков и втулок, осуществляя обтачивание  наружных цилиндрических поверхностей, торцов и уступов, прорезание канавок  и отрезку, растачивание отверстий (цилиндрических, конических и фасонных), обтачивание конических и фасонных поверхностей, сверление, зенкерование и развертывание отверстий, нарезание  наружной и внутренней резьбы резцом, нарезание резьбы метчиком и плашкой, вихревое нарезание резьбы, накатывание  рифленых поверхностей.

Главным движением, определяющим скорость резания, является вращение шпинделя, несущего заготовку. Движением, определяющим величины продольных и поперечных подач, является движение суппорта, в котором  закрепляют резцы, а при обработке  концевым инструментом движение подачи получает задняя бабка станка. Заготовка  закрепляется либо в патроне шпинделя, либо в центрах передней и задней бабки. Скорость подачи может регулироваться вручную или автоматически посредством  ряда клиноременных или зубчатых передач, приводящих в движение ходовой  винт и поперечные салазки суппорта. Скорость вращения заготовки регулируется в широких пределах в соответствии с выбранными режимами резания. Приводной электродвигатель может иметь как фиксированную, так и переменную частоту вращения. На станках с числовым программным управлением (ЧПУ) относительные перемещения задаются программой последовательных команд, записанной в памяти компьютера. Программа включает и выключает приводные механизмы, например электродвигатели и гидроцилиндры, которые осуществляют подачу суппорта с автоматическим регулированием взаимного положения обрабатываемой детали и режущей кромки. Станки с ЧПУ обеспечивают возможность обработки до четырех-пяти поверхностей с одной установки заготовки. Для этой цели приспособления должны обеспечивать возможность подхода инструмента ко всем обрабатываемым поверхностям.

Наиболее существенное сокращение времени простоев станков с ЧПУ  достигается путем уменьшение времени  зажима-разжима заготовок. Возможность  обработки на станках с ЧПУ  максимального числа поверхностей заготовки с одной ее установки  резко увеличивает цикл обработки  заготовки на одном станке, что  обусловливает возможность смены  заготовки вне рабочей зоны станка или вне станка во время обработки  на станке другой заготовки. Следовательно, приспособления должны обеспечивать возможность смены заготовок во время работы станка.

Станки с  ЧПУ в отличие от станков-автоматов  обладают высокой гибкостью, так  как переналадка их заключается  лишь в смене программоносителя. Наибольшая часть подготовительно-заключительного  времени затрачивается не на переналадку  станка, а на смену или переналадку  оснастки приспособлений и инструмента. Поэтому для сокращения простоя  станков приспособления должны обеспечивать возможность их быстрой переналадки  или смены. На станках с ЧПУ  наиболее эффективно применять системы  переналаживаемых приспособлений, обеспечивающих возможность обработки широкой  номенклатуры заготовок благодаря  перекомпоновке, смене или регулированию  установочных и зажимных элементов. Приспособления, применяемые в серийном производстве при обработке малогабаритных деталей, должны быть многоместными, так как при этом возможна обработка отверстий во всех заготовках последовательно одним и тем же инструментом. Производительность обработки увеличивается за счет сокращения времени, затрачиваемого на смену инструмента.

2 Описание конструкции проектируемого узла.

Шпинельная  бабка станка с ЧПУ состоит  из:

• корпуса;
• шпинделя;
• приводного вала;
• пневматического зажимного механизма.

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

В корпус установлен шпиндель на радиально-упорных подшипниках  качения. Осевой зазор в подшипнике передней опоры создается подшлифовкой торцев проставочного кольца. Масло, применяемое для смазки подшипников  «Вазелиновое-Т». Привод осуществляется от электродвигателя через муфту.

 

3 Расчет режимов  резания и выбор электродвигателя.

3.1 Точение на резцами из твердого сплава.

3.1.1 Точение на 15 мм

Выбираем резец Т15К6

а) черновая обработка:

 – глубина резания

 – подача

- стойкость резца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Сила резания:

 

 

 

 

 

 

 

Мощность резания:

 

 

б) Чистовая обработка:

 – глубина резания

 – подача

- стойкость резца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Сила резания:

 

 

 

 

 

 

 

Мощность резания:

 

 

3.1.2 Точение на 200 мм

Выбираем резец Т15К6

а) черновая обработка:

 – глубина резания

 – подача

- стойкость резца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Сила резания:

 

 

 

 

 

 

 

Мощность резания:

 

 

б) Чистовая обработка:

 – глубина резания

 – подача

- стойкость резца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Сила резания:

 

 

 

 

 

 

 

Мощность резания:

 

 

3.2 Сверление на  сверлами из быстрорежущей стали Р6М5

 

3.2.1 Сверление :

- подача

 – период стойкости сверла

Скорость резания:

 

 

 

 

 

 

 

Крутящий момент:

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Мощность сверления:

 

3.2.2 Сверление :

- подача

 – период стойкости  сверла

Скорость резания:

 

 

 

 

 

 

 

Крутящий момент:

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Мощность сверления:

 

3.3 Зенкерование на  мм зенкерами из быстрорежущей стали Р6М5

3.3.1 Зенкерование  :

 – глубина резания

- подача

 – период стойкости  зенкера

Скорость резания:

 

 

 

 

 

 

 

Крутящий момент:

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Мощность зенкерования:

 

3.3.2 Зенкерование  :

 – глубина резания

- подача

 – период стойкости  зенкера

Скорость резания:

 

 

 

 

 

 

 

Крутящий момент:

 

 

 

 

 

 

Частота вращения:

 

Мощность зенкерования:

 

3.4 Нарезание резьбы М8-М16 метчиками

3.4.1 Нарезание резьбы М8:

Выбираем материал: Р6М5

- период стойкости

 – подача

Скорость резания:

 

 

 

 

 

 

 

Момент крутящий:

 

              

 

Частота вращения:

 

Мощность при нарезании  резьбы:

 

3.4.2 Нарезание резьбы М16:

Выбираем материал: Р6М5

- период стойкости

 – подача

Скорость резания:

 

 

 

 

 

 

 

Момент крутящий:

 

              

 

Частота вращения:

 

Мощность при нарезании  резьбы:

 

3.5 Выбор электродвигателя.

 

 

 

Координирую с учетом данных токарных станков прототипов:

 

 

Мощность привода:

Выбираю электродвигатель постоянного  тока 4ПФ160L,для которого

 

 

4 Расчет кинематики

4.1 Диапазон регулирования частот вращения шпинделя

 

4.2 Знаменатель геометрического  ряда:ϕ = 1,12

4.3 Диапазон регулирования

 

4.4 Число ступеней механического  регулирования

 

Принимаю Z = 2

4.5 Общее число ступеней скорости шпинделя

 

4.6 Кинематическая схема

4.7 График частот вращения

4.8 Число зубьев зубчатых  колес

	2+5 = 7
	3+2 = 5

 

НОК = 35, следовательно, ∑z_min

 

Такое число зубьев не приемлемо  на колесе. Число зубьев меньшего колеса должно быть не меньше 20 – 22. Е = 2.

Тогда ∑z  = E ·∑z_min = 2·35 = 70.

Находим число зубьев зубчатых колес группы:

 

 

Колеса будем делать из стали 40Х 

HB = 230

Термообработка :улучшение 

4.9 Модуль наиболее нагруженной  зубчатой пары

 

 

_{+70 =} 460+70 = 530 МПа

 

_{для косозубых зубчатых колес.}

  - коэффициент ширины зуба, для косозубых зубчатых колес

 

 

 

 

 

Диаметры зубчатых колес

_мм

_мм

_мм

_мм

Уточняем межосевое расстояние

 

4.10 Степень точности зубчатых  колес

 

Колеса будем делать косозубыми. Степень точности 5.

4.11 Предварительный выбор диаметров валов.

 

= 48,3 мм

 

5. Расчет и выбор  параметров ШУ.

  5.1 Выбор компоновочной схемы и опор

Выбираем схему №6

Для выбора диаметра шпинделя в первом приближении воспользуемся  соотношением  

 

Определяем диаметр шпинделя по выбранной компоновочной схеме

 

 

Примем d=100  мм.

Выбираю подшипники шариковые радиально-упорные сверхскоростные серии типа 46100.

Передняя опора: подшипник 46120У:

d=100 мм;  D=150 мм;  В=24 мм; r=2,5 мм; С_о=56000 Н; С=55000 Н; D_τ=15,08 мм, Ao=650 H, Z=22.

Задняя опора: подшипник: подшипник 46116У:

d=80 мм;  D=125 мм;  В=22 мм; r=2 мм; С_о=40500 Н; С=43000 Н; D_τ=13,49 мм, Ao=490 H, Z=20.

Для дальнейших расчетов определим  следующие параметры:

Вылет переднего конца  шпинделя

 

Примем 

Длина межопорной части шпинделя

 

Примем 

Диаметр задней опоры

Примем 

5.2 Расчет опор качения на жесткость

Радиальная жесткость  каждой опоры рассматривается по зависимости

 

Где

 

 

Податливость на посадочных поверхностях определяется по формуле:

 

Где d, D – внутренний и наружный диаметры подшипника, мм.

В – ширина подшипника, мм.

 

Силы, действующие на опоры  рассчитываются по максимальной радиальной силе резания F, действующей на передний конец шпинделя по зависимостям

 

Где – радиальная сила, действующая на переднюю и заднюю опоры, Н.

а – длина переднего  конца шпинделя

 

 

где - диаметр тел качения (шариков) в подшипнике.

Коэффициент  определяется в зависимости от радиальной силы, приходящейся на каждый подшипник опоры и угла контакта подшипника.

Так как в опоре установлено  несколько подшипников, то .

Для подшипников опор с  углом контакта

 

 

5.2.1 Расчет на жесткость передней опоры шпинделя:

 

 

 

= 3595 H

 

 

 

 

 

5.2.2 Расчет на жесткость задней опоры шпинделя:

 

 

 

= 1078,5 H

 

 

 

(т.к. опора плавающая)

5.3 Быстроходность опор.

Для шпиндельных узлов  станков быстроходность принято  оценивать параметром d∙n мм∙об/мин.

Быстроходность шпиндельных  узлов на подшипниках качения  зависит от большого количества факторов (тип подшипников, точность подшипников, качество изготовления и сборки шпиндельного узла, вида системы смазки, допустимой температуры нагрева, долговечности, величины преднатяга, посадок и т.д.).

d∙n = 100∙6000=600000 мм∙об/мин.

Допустимая температура  нагрева опор, ограничивающая быстроходность

t = 30^oC .

5.4 Долговечность опор.

Долговечность подшипника –  это продолжительность его работы в часах (при фиксированной частоте  вращения) до тех пор, пока показатели качества работы (точность, жесткость, виброустойчивость, нагрев, шум и  т.д.) находятся в допустимых пределах.

Ориентировочная долговечность  шлифовального шпиндельного узла на подшипника качения L_h = 5000 часов.

5.5 Радиальный внутренний зазор-натяг и преднатяг опор качения.

Для опор с радиально-упорными шарикоподшипниками регулирование  требуемого натяга создается путем  смещения наружного кольца подшипника относительно внутреннего, а также  за счет соответствующего зазора или  натяга посадки. Смещение колец подшипника относительно друг друга осуществляется простановочными втулками или пружинами  или путем подшлифовки торцов колец подшипников перед их сборкой.

Рекомендуемый преднатяг  для подшипников  46120У легкой серии с диаметром d = 100 мм равен А₀ = 650Н, а для подшипников 46116У с диаметром d = 80 мм равен А₀ = 490Н

5.6 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                                 у=у_шп+у_оп+у_сдв , где