Фрезерование как один из распространённых и производительных методов обработки металлов резанием, его основные этапы и назначение. Тенденции развития станков, исследование их ассортимента и виды, служебное назначение. Расчёт привода главного движения.
Долговечность и качество станков повышается при закалке чугунных направляющий или установке каленых стальных накладных направляющих, применение устройств для выборки зазоров в передачах винт-гайка, централизованной системой смазки, хорошей защиты трущихся пар от загрязнения и др. рост производительности обеспечивается за счет увеличения мощности главного привода, расширения диапазона регулирования скоростей, повышения скорости быстрых перемещений, механического зажима инструмента и заготовок, применение различных приспособлений. Станок предназначен для работы в инструментальных цехах крупносерийного и массового производства и в основных цехах мелкосерийного производства. Анализ гаммы станков показывает, что на станках этой группы наиболее широко используются электродвигатели малой и средней мощности. От вала I через зубчатые колеса 3-6 движение передается на вал II, а от него через тройной подвижный блок шестерен 3-4-5 вращение передается на вал III с зубчатыми колесами 7, 8, 9, 13, 14. От вала III движение передается на тройной подвижный блок шестерен 10-11-12 вала IV, а затем через двойной подвижный блок шестерен 15-17 вращение передается на горизонтальный шпиндель V.
Введение
Фрезерование - один из распространенных и производительных методов обработки металлов резанием.
Процесс резания при фрезеровании сложнее чем при точении. При точении резе непрерывно находится в контакте с заготовкой и срезает стружку постоянного сечения. При всех видах фрезерования с заготовки срезается прерывистая стружка переменной толщины. Кроме того, при фрезеровании каждый зуб фрезы входит в контакт с обрабатываемой заготовкой и выходит из контакта при каждом обороте фрезы. Вход зуба в контакт с обрабатываемой заготовкой сопровождается ударом.
Таким образом, условия работы фрезы значительно тяжелее условий работы резца при точении. Поэтому важно знать основные закономерности процессов фрезерования, чтобы в каждом конкретном случае производить обработку при наивыгоднейших условиях с наибольшей производительностью.
Процесс резания при фрезеровании сопровождается следующими явлениями: - пластической деформацией металла как в срезаемом слое, так и ниже линии среза над обработанной поверхностью;
- трением стружки о переднюю грань и обрабатываемой поверхности о заднюю грань инструмента;
- выделение теплоты, которая рассеивается в стружку, инструмент, изделие и окружающую среду;
- изнашивание режущего инструмента;
- возникновении в процессе резания металлов при определенных условиях различного вида вибраций (колебаний).
Особенности процесса резания при фрезеровании
Процесс резания при фрезеровании характеризуется периодичностью рабочих и холостых циклов зубьев фрез, температурными колебаниями нагрева зубьев, переменной нагрузкой на зуб фрезы, переменной толщиной стружки.
При фрезеровании резание осуществляется только на части дуги окружности, пока зубья фрезы находятся в контакте с обрабатываемым материалом, после чего он совершает холостой ход. В ряде случаев врезание фрезы в заготовку сопровождается ударом, что способствует повышенному изнашиванию и выкрашиванию режущих кромок.
Если врезание осуществляется с нулевой толщины, как при работе осевыми фрезами, то режущая кромка не сможет сразу внедриться в металл и на некотором участке будет скользить по поверхности металла, сминая и наклепывая его. При биении фрезы, когда отдельные зубья находятся на разных расстояниях от оси ее вращения, возникают значительные колебания сил на отдельных зубьях. Прерывистость процесса резания и колебания сил при резании создают неблагоприятные условия для работы станка и способствуют возникновению вибраций. Периодический нагрев при рабочем цикле и охлаждение при холостом вызывают колебания температуры режущих лезвий. При работе без охлаждения эти колебания не столь значительны, так как воздушная среза слабо отводит теплоту.
Для более интенсивного охлаждения применяют СОЖ. При обработке чугунов и других хрупких металлов нагрев режущих лезвий незначительный, поэтому использование охлаждающих жидкостей не требуется.
Тенденции развития станков
Разработка и внедрение новых типов станков с ЧПУ становится одним из главных направлений автоматизации производства.
При хорошей организации производства станки с ЧПУ дают в короткие сроки большой экономический эффект: 1. Облегчается подготовка производства новых изделий, сокращается подготовительно-заключительное время, не требуется проектирование и изготовление сложных станочных приспособлений.
2. Повышается качество выпускаемой продукции (точность перемещений не зависит от квалификации рабочих).
3. Повышается производительность труда за счет сокращения машинного и вспомогательного времени.
4. Улучшается использование станков во времени.
Кроме того, получили распространение многооперационные станки, на которых производят комплексную последовательную обработку деталей различными инструментами с автоматической их сменой в рабочем помещении.
Одной из основных тенденций развития фрезерных станков является расширение их технологических возможностей, путем оснащения его различными приспособлениями, внедрение более качественного инструмента (что позволяет увеличить верхний предел частот вращения шпинделя).
В вертикальных консольно-фрезерных станках повышение точности достигается увеличением жесткости при точном изготовлении узлов и деталей, оснащение механизмами точного отсчета перемещений.
Долговечность и качество станков повышается при закалке чугунных направляющий или установке каленых стальных накладных направляющих, применение устройств для выборки зазоров в передачах винт-гайка, централизованной системой смазки, хорошей защиты трущихся пар от загрязнения и др. рост производительности обеспечивается за счет увеличения мощности главного привода, расширения диапазона регулирования скоростей, повышения скорости быстрых перемещений, механического зажима инструмента и заготовок, применение различных приспособлений.
Анализ гаммы станков
Для анализа приведем некоторые основные технические характеристики вертикально-фрезерных станков.
В таблице 1 рассмотрены вертикально-фрезерные консольные станки.
Таблица 1. Основные параметры вертикально-фрезерных консольных станков.
Параметры 6Т104 6Р10 6Р11 6Р12 6Р13
Размеры рабочей поверхности стола (длина*ширина) 160*630 - 250*1000 320*1250 400*1600
Мощность электродвигателя привода главного движения, КВТ 2,2 3 5,5 7,5 11
Для рассмотрения возьмем группы вертикально-фрезерных консольных станков. Из табл. 1 видно, что основные параметры варьируются в достаточно широких диапазонах: Размеры рабочей поверхности стола от 160*630 до 400*1600.
Наибольшие перемещения стола: Продольное от 400 до 100
Вертикальное от 160 до 300
Поперечное от 300 до 420
Числа скоростей шпинделя от 12 до 18
Частоты вращения шпинделей от 63 - 2800 до 31,5 - 1600
Мощность электродвигателя от 2,2 до 11
В основном большое распространение получили станки среднего типоразмера.
Анализ показывает, что повышение производительности достигается путем увеличения мощности и быстроходности привода главного движения, скоростей быстрых перемещений, расширении диапазона регулирования скоростей и подач.
Техническое задание
Служебное назначение проектируемого оборудования и область его применения
Станок вертикально-фрезерный 6Р12П предназначен для горизонтального- и вертикального фрезерования изделий из различных материалов. На данном станке используются цилиндрические, дисковые, торцовые, концевые, шпоночные, фасонные и другие фрезы.
Станок предназначен для работы в инструментальных цехах крупносерийного и массового производства и в основных цехах мелкосерийного производства.
Станок предназначен для внутренних постановок. Кинематическое исполнение и категория размещения станков по ГОСТ 15150 - 69 - «УХЛ» категория 4, для работы при температуре от 5 до 40. Высота над уровнем моря до 1000 метров.
Техническое задание разрабатывают на основании приказа 06/4-51 по КУЗГТУ от 30.03.2009 г. «Использование ПО «Ansys» для автоматизированного проектирования деталей станков».
Основные технические характеристики станка приведены в таблице 2
Таблица 2. Технические характеристики станка 6Р12П
Наименование параметров Данные
Размер рабочей поверхности стола, мм Ширина Длина 1250 320
Число Т-образных пазов 3
Ширина Т-образных пазов, мм Среднего Крайний 18А3 18А4
Расстояние между Т-образными пазами, мм 70±0,4
Наибольшее продольное перемещение вертикального стола, мм 800
Наибольшее вертикальное перемещение вертикального стола, мм 420
Наибольшее поперечное перемещение вертикального стола, мм Ручное Механическое 250 240
Расстояние от оси вертикального шпинделя до рабочей поверхности стола, мм. Наименьшее Наибольшее 30 450
Конус конца шпинделя по ГОСТ 836-62 №3
Количество скоростей шпинделя 18
Пределы частот вращения шпинделя, об/мин 50 - 2500
Пределы вертикальных подач стола, мм/мин 13,3 - 666
Количество подач стола 18
Пределы продольных и поперечных подач стола, мм/мин 40 - 2000
Ускоренный ход стола (продольный и поперечный), мм/мин 4600
Ускоренный ход стола (вертикальный), мм/мин 1533
Наибольшее осевое перемещение шпинделя (вертикальное), мм 70
Максимальная масса обрабатываемой детали (с приспособлениями), кг 250
Поворот головки вправо и влево, не менее ±45о
Габаритный размеры станка, мм Длина Ширина Высота 2340 1840 2020
Масса станка, кг, не более 3180
Масса комплекта инструмента и принадлежностей в комплекте станка, кг, не более
Требования и нормы показателей качества при эксплуатации станка
Данные станки должны обеспечить безотказность работы, отличаться долговечностью и быть ремонтно-пригодными. Должно обеспечиваться требование устойчивости к вибрациям, влияния внешней среды. Должны быть учтены оптимальные: количество, размеры, сложность формы и точность изготовления деталей станка.
Обеспечить совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимизации затрат труда, средств, материалов и времени при технологической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонта.
Должно быть обращено особое внимание на использование стандартных, нормализованных узлов, деталей и агрегатов. Должны быть учтены следующий коэффициенты унификации по числу деталей, по массе, по трудоемкости.
Для создания условий обеспечивающих безотказность работы должны соблюдаться следующий требования: 1. Предусмотреть ограждения вращающихся и движущихся частей
2. Предусмотреть устройства, защищающие рабочего от стружки, пыли, СОЖ.
3. Автоматизировать работу станка.
4. Снабдить станок тормозным устройством.
5. Снизить до минимума шум станка.
6. Предусмотреть местную вентиляцию и освещение.
7. Обеспечить надежное заземление станка.
Должны быть учтены эргономические требования. К ним относятся: закономерности зрительного восприятия, антропометрические данные, биомеханические возможности человека.
При проектировании станка должны быть соблюдены требования, касающиеся вопросов технической эстетики. Должны быть учтены условия среды, где будет находится станок. В оформлении станка должно существовать композиционное единство, определенный замысел и порядок построения его форм. Должна быть соблюдена масштабность станка.
Для изготовления деталей станков применяются самые разнообразные материалы. При проектировании станка нужно учесть требования, предъявляемые к материалам, намеченным для применения в станке при его изготовлении и эксплуатации.
Различные металлы применяются для изготовления станин, салазок, столов, консолей, шпинделей, подшипников, ходовых винтов и т.д.
Пластмассы применяются для изготовления: направляющих, зубчатых колес, втулок, вкладышей, деталей делительных устройств, ремней, муфт, крышек, ограждений и т.д.
Железобетон: станины и другие базовые детали.
Отделочные материалы и покрытия: лакокрасочное материалы, гальванические покрытия, облицовочно-декоративные материалы и др.
При проектировании станка должны быть учтены климатические условия в которых будет эксплуатироваться данный станок. Должны быть учтены температура воздуха, среднесуточное ее колебание, влажность воздуха, соленые испарения, количество осадков.
Должны быть учтены требования к маркировке, наносимой на станок и тару. Важно предусмотреть возможные варианты консервации и установки станка в зависимости от условий его транспортировки.
Должны быть предусмотрены различные виды транспортных средств, позволяющих транспортировать данный станок. Предусмотреть места и способы крепления, на крупных узлах станка, необходимых при транспортировании и установке станка на место.
Должна быть обеспечена патентная чистота. Для этого необходимо: 1. знать патентные закон стран, в которых намечается поставка станков или передача технической документации.
2. изучить описание российских и иностранных изобретений, что сократит время и средства на поиски уже известных решений.
3. изучить фонды свидетельств и патентов на промышленные образцы
4. проверять патентную чистоту отдельных элементов и узлов.
5. принимать меры для патентования за границей оригинальны конструкций.
Служебное назначение станка
Станок вертикально-фрезерный 6Р12П предназначен для горизонтального- и вертикального фрезерования изделий из различных материалов. На данном станке используются цилиндрические, дисковые, торцовые, концевые, шпоночные, фасонные и другие фрезы.
Станок предназначен для работы в инструментальных цехах крупносерийного и массового производства и в основных цехах мелкосерийного производства.
Станок предназначен для внутренних постановок. Кинематическое исполнение и категория размещения станков по ГОСТ 15150 - 69 - «УХЛ» категория 4, для работы при температуре от 5 до 40. Высота над уровнем моря до 1000 метров.
Расчет и конструирование привода главного движения станка
Выбор структуры привода
Приводы металлорежущих станков предназначены для осуществления рабочих, вспомогательных и установочных перемещений инструмента и заготовки. В нашем случае - это привод вертикального шпинделя.
Применительно к вертикально-фрезерному станку целесообразно использовать передачу от электродвигателя к коробке скоростей при помощь клиновой передачи. Это оправдано тем, что станок передает небольшие величины крутящих моментов, и поэтому не требует других, дорогих и более сложных способов передачи крутящих моментов.
Однако в данном случае на станке применяется передача крутящего момента от вала электродвигателя к валу I при помощь упругой муфты 1 (рис. 1).
Выбор электродвигателя
Анализ гаммы станков показывает, что на станках этой группы наиболее широко используются электродвигатели малой и средней мощности. Мощностной диапазон колеблется от 2,2 до 5,5 КВТ. Практика показывает, что применение таких типов двигателей наиболее экономически выгодно. Они обеспечивают достаточный диапазон чисел оборотов шпинделя, в среднем от 50 до 2000 об/мин. Используя эти данные на данном станке выбран электродвигатель марки АО2-51-4С2 мощностью 7,5 КВТ.
Коробка скоростей консольно-фрезерного станка
После того как произведен выбор электродвигателя, определены основные технические характеристики станка, необходимо рассмотреть принципиальную схему привода главного движения. Привод главного движения станка обеспечивает z = 18 скоростных ступеней. Рассмотрим кинематическую схему привода главного движения.
От электродвигателя мощностью 7,5 КВТ движение через упругую муфту 1 передается на вал I коробки скоростей. От вала I через зубчатые колеса 3-6 движение передается на вал II, а от него через тройной подвижный блок шестерен 3-4-5 вращение передается на вал III с зубчатыми колесами 7, 8, 9, 13, 14. От вала III движение передается на тройной подвижный блок шестерен 10-11-12 вала IV, а затем через двойной подвижный блок шестерен 15-17 вращение передается на горизонтальный шпиндель V.
Вал вертикального шпинделя VII получает вращение от вала V через коническую передачу 19-20 и цилиндрическую пару 21-22.
Различные положения блоков шестерен 3-4-5, 10-11-12 и 15-17 позволяют сообщить горизонтальному и вертикальному шпинделям 18 различных скоростей.
Построение графика чисел оборотов
Имея значения nmax, nmin, z и знаменатель ряда ?, определяем промежуточные значения частот вращения шпинделя [2].
, (1) где z - число скоростных ступеней, Nmax и Nmin - соответственно максимальное и минимальное число оборотов шпинделя.
Согласно формуле 1
= 1,26
Рис. 1. График чисел оборотов шпинделя.
Определение кпд привода главного движения
Оценка КПД кинематической цепи коробки скоростей определяется как произведение КПД промежуточных кинематических пар [1]. ? = ?1а * ?2б * ?3в * ?nm, (2) где ?1…?n - среднее значение КПД кинематических пар, входящих в кинематическую цепь коробки скоростей, а…м - число одинаковых кинематических пар.
Подшипники, на которые опирается любой вал привода, работают параллельно, и КПД, учитывающий потери в подшипниках каждого вала, должен выражаться одним из сомножителей [1]. ?прив. = ?1 * ?210 * ?3 * ?48, (3) где ?1 - КПД эластичной муфты, ?210 - КПД 10 пар цилиндрических шестерен, ?3 - КПД конической передачи, ?48 - КПД 8 пар подшипников качения. ?прив. = 0,98 * 0,9510 * 0,92 * 0,9957 = 0,76
Передаточные числа передач коробки скоростей и числа зубьев колес
Таблица 3. Основные параметры зубчатых передач коробки скоростей.
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Позиция на рис. 2/6 3/7 4/8 5/14 8/10 9/11 14/12 17/16 15/18 19/20 21/22 i 0,509 0,543 0,815 0,42 0,73 0,37 1,46 2,15 0,275 1,0 1,57 z / z 27/53 19/37 22/27 16/38 27/37 17/46 38/26 82/38 19/69 30/30 88/56
?z 80 56 49 54 64 63 64 120 88 60 144
Расчет передач
Мощность на валах
Согласно установленному электродвигателю N= 7,5 КВТ, находим мощности на других валах коробки скоростей [3].
По рекомендациям ЭНИМС максимальный крутящий момент на шпинделе фрезерного станка определяется по следующей зависимости [4]: Мшп.max. = Сф * t * Sz * zф * Кф , (5) где Сф - коэффициент, учитывающий значение удельного крутящего момента;
t - глубина резания;
Sz - подача на зуб;
zф - число зубьев фрезы;
Кф - коэффициент динамической нагрузки при фрезеровании
Анализ показывает, что значение Мшп.max для вертикально фрезерного станка составляет 843,6 Н*м.
Ориентировочное определение диаметров валов
Предварительно оцениваем средний диаметр валов из расчета только на кручение при пониженных допускаемых напряжениях [5].
, (6) где [?] - допускаемые напряжения, МПА (12…15 МПА)
Т - крутящий момент на валу, Н*м
Согласно формуле 6:
Определение межосевых расстояний [5]
, (7) где [?н] - допускаемые напряжения, МПА (550 МПА)
Ка - поправочный коэффициент учитывающий условия работы, (Ка = 495)
Уточненное межосевое расстояние для I - II валов aw2 = m * ?z / 2 = 4 * 80 / 2 = 160 мм
Межосевое расстояние II - III валов.
Принимаем модуль m = 4 мм.
Уточняем межосевое расстояние aw = 4 * 54 / 2 = 108 мм.
Межосевое расстояние III - IV валов.
Принимаем модуль m = 4 мм.
Уточняем межосевое расстояние aw = 4 * 63 / 2 = 126 мм.
Межосевое расстояние IV - V валов.
Принимаем модуль m = 4 мм.
Уточняем межосевое расстояние aw = 4 * 88 / 2 = 176 мм.
Межосевое расстояние VI - VII валов.
Принимаем минимальный модуль m = 2 мм.
Уточняем межосевое расстояние aw = 2 * 144 / 2 = 144 мм.
Определение ширины зубчатых колес bz = ?a * aw - ширина венца зубчатых колес. bz2 = bz6 = 0,25 * 160 = 40 мм. bz3 = bz4 = bz5 = bz7 = bz13 = bz14 = 0,25 * 108 = 27 мм. bz8 = bz9 = bz10 = bz11 = bz12 = 0,25 * 126 = 31,5 мм. bz15 = bz16 = bz17 = bz18 = 0,25 * 176 = 44 мм. bz21 = bz22 = 0,25 * 144 = 36 мм.
Рис. 2 Ширина венца зубчатого колеса
Выбор материала колес
В зависимости от вида изделия, условий его эксплуатации и требованиям к габаритным размерам, выбираем соответствующий материал зубчатых колес и вид термической обработки. Принимаем материал зубчатых колес и шестерен Сталь 45Х. Термическая обработка колеса и шестерни - улучшение, цементация и закалка, твердость поверхности HRC 49…52.
Проверка прочности зубьев по контактным напряжениям [5]
, (15) где Кнv - зависит от окружной скорости колеса и его степени точности принимаем = 1,36;
Кн = Кнv * Кнв где Кнв - при постоянной нагрузке = 1;
Епр - приведенный модуль упругости = 2,1*103;
Расчет и конструирование валов
Выбор материала валов
Для правильного выбора материала валов и термообработки необходимо знать: тип в которых вращается вал, характер посадок на валу подшипников, зубчатых колес, характер действующих нагрузок.
Шестерня 2 посажена на вал при помощи шпонки по переходной посадке.
Второй вал имеет шлицы по которым перемещается блок шестерен z3-z4-z5. Вал вращается в подшипниках качения. Для обеспечения износостойкости трущихся частей принимаем материал вала Сталь 45. Термообработка - цементация и закалка HRC 54-60. ?в = 900 МПА, ?-1 = 380 МПА, ?т = 650 МПА, ?-1 = 230 Мпа, ?в = 0,1, ?т = 0,05.
Третий вал: тихоходный, вращается в подшипниках качения. Шестерни 7, 8, 9, 13, 14 посажены на вал при помощи шпонок по переходным посадкам. Принимаем материал вала Сталь 35 нормализованную, ?в = 520 МПА, ?-1 = 260 МПА, ?т = 310 МПА, ?-1 = 130 Мпа, ?в = 0, ?т = 0.
Четвертый вал имеет шлицы по которым перемещается блоки шестерен z10-z11-z12 и z15-z17. Вал вращается в подшипниках качения. Для обеспечения износостойкости трущихся частей принимаем материал вала Сталь 45. Термообработка - цементация и закалка HRC 54-60. ?в = 900 МПА, ?-1 = 380 МПА, ?т = 650 МПА, ?-1 = 230 Мпа, ?в = 0,1, ?т = 0,05.
Пятый вал представляет собой горизонтальный шпиндель, вращается в подшипниках качения. Блок шестерен 16-18 и коническая шестерня 19 неподвижно закреплены на валу при помощь шпонок по переходным посадкам. Принимаем Сталь 50.
Шестой вал: быстроходный, вращается в подшипниках качения. Коническая шестерня 20 и зубчатое колесо 21 закреплены на валу при помощь шпонок и стопорных колец. Принимаем Сталь 35 нормализованную, ?в = 520 МПА, ?-1 = 260 МПА, ?т = 310 МПА, ?-1 = 130 Мпа, ?в = 0, ?т = 0.
Седьмой вал: быстроходный, вращается в подшипниках качения. Зубчатое колесо 22 закреплено на валу при помощь шпонки и стопорного кольца. Принимаем Сталь 35 нормализованную, ?в = 520 МПА, ?-1 = 260 МПА, ?т = 310 МПА, ?-1 = 130 Мпа, ?в = 0, ?т = 0.
Проверочный расчет VII вала
Выбор расчетной схемы
Выбор расчетной схемы и определение расчетных нагрузок [5]
Ft2 = 2*T1 / d1, (16)
F? = Ft2 * tg aw, (17)
Ft2 = 2 * 1482, / 82,5 = 3593,9 H
F? = 3593,9 * tg 20o = 1308,1 H
Определение опорных реакций и изгибающих моментов
Вертикальные: ?МА = 0: F? * 283 - Вв * 700 = 0
Вв = F? * 283 / 700 = 528,8 Н.
?МВ = 0: - F? * 417 Ав * 700 = 0
Ав = F? * 417 / 700 = 779,3
Мг = F? * (283 * 417) / 700 = 220,53 Н*м
Горизонтальные: ?МА = 0: Ft * 283 - Вв * 700 = 0
Вв = F? * 283 / 700 = 1453,8 Н.
?МВ = 0: - Ft * 417 Ав * 700 = 0
Ав = F? * 417 / 700 = 2142,1 Н
Мг = Ft * (283 * 417) / 700 = 437,5 Н*м
Расчет на прочность
Расчет на сопротивление усталости
Запас сопротивления усталости [5]
S = S? * S? / (S?2 S?2)0,5 ? [S] = 1,5, (18) где S? - запас сопротивления усталости по изгибу;
Проверка прочности по смятию ?см = 2 * Т / d * h * z * l , (20) где h = 0,5 * (D - d) - 2*f - рабочая высота зуба
Шлицевое соединение: z = 8; D = 60; d = 53; f = 0,5 dcp = 0,5 * (60 53) = 56,5 мм ?см = 2 * 502,6 / 53 * 2,5 * 8 * 205 = 2,65 МПА
Конструирование развертки коробки скоростей
При конструирований литой корпусной детали стенки следует выполнять одинаковой толщины.
Толщина стенки отвечающая требованиям технологии литья и жесткости корпуса ? ? 6 мм. [5] ? = 2,6 * (0,1 * Т)0,25 = 2,6 * (0,1 * 1715,9)0,25 = 9,4 мм, (21)
Принимаем толщину стенки равной 10 мм.
Зазор между внутренней поверхностью стенки корпуса и вращающимися частями механизма
? = L0,33 4 = 3600,33 4 = 11,11 мм , (22)
Принимаем ? = 12 мм.
Длина блоков шестерен складывается из: ширины ступиц зубчатых колес, ширина «а», канавки для выхода долбяка и т.д.
Рис. 3 Зубчатое колесо
Рис. 4 Эскиз шлицевого вала
Расчет шпинделя
Основные требования
Шпиндель - одна из наиболее ответственных деталей станка. Он является последним звеном коробки скоростей, несущим заготовку или инструмент. От него во многом зависит точность обработки. Шпиндельные узлы предназначены для осуществления точного вращения инструмента или обрабатываемой детали.
К шпиндельным узлам станков предъявляются следующие требования: 1. Точность вращения, измеряемая биением на переднем конце шпинделя в радиальном или осевом направлении.
2. Жесткость шпиндельного узла определяемая по упругим перемещениям переднего конца шпинделя.
3. Виброустойчивость шпиндельного узла, существенно влияющая на устойчивость всего станка.
4. Долговечность шпиндельных узлов.
5. Ограничение тепловыделения и температурных деформаций, которые сильно влияют на точность обработки.
6. Быстрое и надежное закрепление инструмента или заготовки, обеспечивающее их точное центрирование и соответственно точное вращение.
Материал и термическая обработка.
Решающим фактором, определяющим выбор материала шпинделя, является: твердость и износостойкость шеек и базирующих поверхностей фланцев и стабильность размеров и формы шпинделя в процессе его работы и изготовления.
Для шпинделей станков нормальной и повышенной точности, имеющим конусные отверстия, фланцы, пазы применяется объемная закалка, обеспечивающая твердость в пределах HRC 56 - 60. В этом случае шпиндель изготавливают из Сталь 50Х.
Выбор конструктивного варианта шпиндельного узла
В вертикально-фрезерном станке, как правило, применяются трехопорные шпиндели, с целью увеличения демпфирования в шпиндельном узле.
В нашем случае применим к нижней опоре сдвоенный конический роликовый подшипник качения, а в верхней опоре - одинарный роликовый подшипник.
Данная схема обеспечивает достаточную жесткость, виброустойчивость и стабильность наложения оси при вращении шпинделя.
Расчет шпинделя на жесткость
Определим упругие перемещения в месте резания, вызываемые собственно упругими деформациями шпинделя и его опор.
Рассчитаем шпиндель при максимальном вылете гильзы. Так как в нижней опоре принят роликовый подшипник, то можно считать, что шпиндель в этом сечении не имеет поворота. В этом положении будем считать шпиндель как жестко закрепленную балку. а - максимальный вылет гильзы
? - угол прогиба у - прогиб
Р - сила резания
Р = (Рх2 Pz2)0,5, (23)
где Рх - осевая составляющая силы резания, Pz - тангенциальная составляющая силы резания.
Pz = 9,81 * Cp * tx * Szy * Bu * z * Kp / Dq * nw, (24)
Принимаем коэффициенты, входящих в формулу для концевых фрез, с пластинами из т/с.
Ср = 234; х = 0,24; q = 0,44; y = 0,26; u = 0,1; m =0,37; Sz = 0,1; t = 5 мм; Kp = 0,856
Pz = 19702 / 4,59 = 4292,4 H
Имеет место соотношение между силами резания
Рх / Pz = 1 / 3
Но в процессе износа задней поверхности лезвий силы практически уравновешиваются и имеет место соотношение Рх / Pz = 2 / 3.
Принимаем Рх = 2861,6 Н
Р = (4292,42 2861,62)0,5 = 5159,0 Н
Умах = p*a3 / 3*E*J
?max = p*a2 / 2*E*J где J - момент инерции сечения шпинделя
В шпиндельных узлах современных станков в качестве опор применяются подшипники качения. Для них характерны небольшие потери на трение и простые схемы смазки, что гарантирует высокую долговечность и надежность работы узла, а также не требует большого количества времени на обслуживание. Подшипники качения обеспечивают высокую точность вращения шпинделя и необходимую виброустойчивость.
Нижняя опора шпинделя нагружена больше верхней. Ее погрешность в большей степени влияет на точность обрабатываемых в станке деталей. Поэтому в нижней опоре устанавливаются подшипники более точные, чем в верхней. Нижнюю опору делают более жесткой для чего в ней устанавливают сдвоенный подшипник.
В данном случае в нижней опоре присутствует сдвоенный роликовый радиальный двухрядный подшипник с коническими роликами.
Верхняя опора в зависимости от степени нагружения с шариковым или роликовым подшипником. В данном случае применяется роликовый конический подшипник.
Конструкция переднего (нижнего) конца шпинделя
Нижний конец шпинделя служит для базирования и закрепления режущего инструмента. Передний конец шпинделя выполняется по ГОСТ. Точное центрирование и жесткое сопряжение инструмента со шпинделем коническим соединением. Применяем конус конца шпинделя по ГОСТ 24644 - 81 с уклоном 7:24. Степень точности конуса АТ5.
Рис. 5 Конструкция нижнего конца шпинделя
Цепь подач
В вертикально-фрезерном станке движение подач - перемещение стола в продольном, поперечном и вертикальном направлениях. Кроме того, для всех направлений есть ускоренное перемещения.
Привод подач раздельный от цепи привода главного движения и осуществляется отдельным электроприводом. С цепями подач, как правило, сопрягаются цепи подач для быстрых и ускоренных перемещений рабочих органов станков. В отличие от приводов главного движения, приводы подач являются тихоходными, с большой степенью редукции.
Выбор структуры привода
В станкостроении широкое применение получили приводы подач с одним высокомоментным электромотором и зубчатыми коническими и цилиндрическими передачами. Подача осуществляется путем добавления в конце кинематической цепи пары, преобразующей вращательное движение, в поступательное (винт-гайка, колесо-рейка).
Приводы должны обеспечивать широкий диапазон режимов обработки, максимальную производительность, высокую точность позиционирования исполнительных органов.
Анализируя существующую гамму вертикально фрезерных станков, приходим к выводу, что целесообразно применить традиционную схему цепи подач со ступенчатым регулированием режимов обработки. Вращение от электродвигателя передается через муфту и зубчатые пары на тяговый механизм винт-гайка.
Выбор электродвигателя
Для выбора электродвигателя по мощностным характеристикам необходимо знать усилие, затрачиваемое на подачу.
Согласно рассмотренной гамме станков и потребной мощности на подачу, принимаем электродвигатель марки АО2-314С2 мощностью 2,5 КВТ и частотой вращения ротора 2800 об/мин. Этот электродвигатель обеспечивает подачи стала станка 25-1250 мм/мин и ускоренный его ход 1600 мм/мин.
После того как произведен выбор электродвигателя, необходимо разработать принципиальную схему привода подач станка. Принимаем согласно тех заданию привод подач, обеспечивающий пределы подач станка от 25 до 1250 мм/мин. Для обеспечения данного количества подач станка, строим кинематическую схему подач (рис.6).
Все подачи станка могут осуществляться механически и в ручную. Кроме того, для всех направлений предусмотрено ускоренное перемещение.
От электродвигателя мощностью 2,5 КВТ вращение передается через зубчатое колесо 27 и подвижный блок шестерен 28, находящимся на валу II на вал III, затем через 2 тройных блока шестерен - на вал VI. Посредством пары зубчатых колес вращение передается на вал VII, а от него через зубчатые колеса на вал VIII, от которого через пару конических шестерен осуществляется вертикальное перемещение консоли при помощи ходового винта и гайки.
Вращение от вала VIII на вал IX передается через пару зубчатых колес, и так же от вала IX на вал X через пару зубчатых колес. От вала IX через две пары конических колес на винт-гайку и осуществление продольных перемещений стола.
Рис. 6. Кинематическая схема цепи подач
Вращение от вала X посредством винт-гайки преобразуется в поперечное поступательно движение стола.
Ручные перемещения стола осуществляются при помощи маховиков, расположенных на ходовых винтах, а вертикальное ручное перемещение консоли - при помощи рукоятки, насаженной на вал VII.
Расчет цепи подач
Для примера произведем проверочный расчет вертикальной подачи консоли.
