Шпиндельный узел зубофрезерного станка с ЧПУ - Курсовая работа

Основные достоинства приводов с бесступенчатым регулированием - повышение производительности обработки за счет точной настройки оптимальной по режимам резания скорости, возможность плавного изменения скорости во время работы, простота автоматизации процесса переключения скоростей. С целью увеличения диапазона регулирования частот вращения шпинделя между двигателем и шпинделем станка вводят обычную ступенчатую коробку скоростей с прямозубыми зубчатыми передачами. Предварительные параметры коробки скоростей выбираем при помощи программы GEARCAD0, предназначенной для оптимизации кинематической структуры бесступенчатого привода и расчета диапазона регулирования электродвигателя и коробки скоростей, передаточных отношений в групповых передачах, чисел зубьев зубчатых колес, относительного радиального габарита коробки скоростей. В качестве о двигателя выбран 4ПФ112М (Р=5,5 КВТ; nном =900 об/мин; nmax=5000 об/мин). Блок-схема привода от двигателя до шпинделя: Далее производится вычисление крутящих моментов и чисел оборотов двигателя и валов коробки скоростей при помощи программы GEARCAD1.3.1.1 Проектный расчет клиноременной передачи а) При коэффициенте использования мощности двигателя по графику находим диапазон чисел оборотов шпинделя 100-400 об/мин) максимальная частота двигателя в этом диапозоне 5000 об/мин б) Выбор сечения ремня по по графику 12.23 в [7]. Обозначение сечения ремня Расчетная ширина, Wp Ширина большего основания, W Высота ремня, Т Угол клина ремня, a Площадь сечения, А, мм2 Плотность материала ремня, r, кг/м3 По таблице 3 принимаем расчетную длину Lp ремня, ориентируясь на ряд длин Lp клиновых ремней по ГОСТ 1284.1-89: Lp=2360 мм. По принятой расчетной длине Lp ремня определяем межосевое расстояние г) По графикам 12.24...12.26 в [7] определяем номинальную мощность , передаваемую одним ремнем принятого сечения ремня в условиях типовой передачи при a=180°, u=1, легком режиме, базовой длине ремня, среднем ресурсе: д) Определяем мощность, передаваемую одним ремнем, в условиях эксплуатации передачи Предварительная величина числа ремней, исходя из равномерной работы всего комплекта ремней, . гдеO Угол наклона зубьев принимаем равным нулю для прямозубых колес. O Определяем частоту вращения вала колеса: где и - определено ранее (в таблицах программы GEARCAD1); m - число расчетных ступеней скоростей. O Крутящий момент на валу колеса принимаем максимальным для данной передачи = 113,9 Нм O Режим нагружения определяем по полученному графику коэффициента использования мощности двигателя (в программе GEARCAD1). Зададим параметры расчета: Передача i2 (u=3,35) Материал Твердость НВ Крутящий момент Н*м Ft Н Fr Н n об/мин Степень точности Режим нагруженияСила резания определяется по следующем формуле: Н - главная окружная сила резания d=63 мм - диаметр инструмента Составляющие сил резания определяются по следующим формулам: № P P P M i2Определяем массив сил в зацеплении (), исходя из рассчитанных вращающих моментов (по таблице GEARCAD1) , где Тіш - вращающий момент на шестерне рассчитываемой ступени, Н•м (в таблицах программы GEARCAD1);Ориентировочные диаметры валов под подшипниками определяем по критерию прочности, исходя из максимального вращающего момента на данном валу и пониженным допускаемым напряжениям на кручение для принятого материала вала. · Входной вал: Назначаем материал вала - Сталь 45.Расчет выполняется по программе «Область сочетании d и l». Расчет связывает 4 критерия: 1. допускаемая жесткость ШУ Рассчитаем диаметр шпинделя в соответствии с i2 для передней опорыПринимаем шпонку 18 х 11 х 70 ГОСТ 23360 - 78 Механические характеристики материала: ?в = 560 МПА, ?т = 280МПА, Определим напряжение смятия: , lp = (l X b ) = 70 - 18 =52 мм, h = 11мм, b = 18мм, t = 7мм. Принимаем шпонку 18 х 11 х 70 ГОСТ 23360 - 78 Механические характеристики материала: ?в = 560 МПА, ?т = 280МПА, Определим напряжение смятия: , lp = (l X b ) = 70 - 18 = 52мм, h = 11мм, b = 18мм, t = 7мм. Механические характеристики материала: ?в = 560 МПА, ?т = 280МПА, Определим напряжение смятия: , lp = (l X b ) = 80 - 22 = 58мм, h = 14мм, b = 22мм, t = 9мм.- Расстояния от стенок корпуса до зубчатых колес ?=4•m=4•8=32 мм.Пространственная расчетная схема шпиндельного узла на основе размеров, взятых из компоновки: Средней величины сил в зацеплении : Fa=0 Рассчитываем опорные реакции шпинделя в расчетных плоскостях (и ): Горизонтальная плоскость а уравнение статики для опоры А имеет вид: , откуда Если включена передача i2(Fr2), то уравнение статики для опоры В имеет вид: , откуда ;, а уравнение статики для опоры А имеет вид: , откуда3) Коэффициент, учитывающий величину натяга в подшипнике. 4) Радиальное перемещение в контакте наиболее нагруженного ролика и кольца подшипника (знак перемещения определить по знаку радиальной нагрузки, действующей на подшипник), мм 5) Радиальное перемещение в контакте колец подшипника с поверхностями вала и корпуса (знак перемещения определить по знаку радиальной нагрузки, действующей на подшипник), мм , - средня

Содержание

Задание

Введение

1. Выбор электродвигателя и оптимизация кинематической структуры бесступенчатого привода

2. Расчет кинематических, силовых и временных параметров коробки скоростей

3. Расчет передач привода

3.1 Расчет клиноременной передачи

3.1.1 Проектный расчет клиноременной передачи

3.1.2 Проверочный расчет клиноременной передачи

3.2 Расчет прочности цилиндрической зубчатой передачи

3.2.1 Расчет цилиндрической передачи i2

3.2.2 Расчет цилиндрической передачи i1

4. Определение сил в зацеплении шпиндельной передачи, составляющих сил резания

4.1 Определение составляющих сил резания и изгибающего момента от сил резания

4.2 Определение сил зацепления

5. Диаметры валов коробки скоростей, шпинделя, размеры шпоночных и шлицевых соединений и компоновка коробки скоростей или шпиндельного узла

5.1 Ориентировочные диаметры валов коробки скоростей

5.2 Диаметр шпинделя

5.3 Размер шпонок и ступиц зубчатых колес

5.4 Компоновка коробки скоростей

5.5 Определение опорных реакции

6. Радиальная и осевая жесткость шпиндельных подшипников

7 Долговечность шпиндельных подшипников

8. Точность вращения и быстроходность шпинделя

8.1 Точность вращения шпинделя

8.2 Быстроходность шпинделя

9 Смазка шпиндельных подшипников и зубчатых передач

9.1 Смазка шпиндельных подшипников

9.2 Смазка зубчатых передач

Заключение

Литература

Задание

1 Тема: Технический проект инструментального шпиндельного узла зубофрезерного станка с ЧПУ с разработкой кинематической схемы, структуры привода и компоновки коробки скоростей

2 Исходные данные: Бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя n=20…1200 об/мин; мощность на шпинделе P=2,5 КВТ; класс точности станка - П; наибольший диаметр червячной фрезы d=63 мм; наибольший модуль m=3 мм; твердость обрабатываемого материала 200 HB; график kt использования станка по времени и график kp использования мощности двигателя: n 20 50 100 400 700 900 1200 kt 0,08 0,09 0,17 0,13 0,35 0,12 0,06 kp 0,3 0,6 1,0 1,0 0,7 0,8 0,5

3 Содержание и порядок оформления ПЗ: а) аннотация; б) содержание ПЗ; в) задание; г) введение; д) выбор электродвигателя и оптимизация кинематической структуры бесступенчатого привода; е) расчет кинематических, силовых и временных параметров коробки скоростей; ж) диаметры валов коробки скоростей и шпинделя; з) расчеты передач привода; и) точность вращения и быстроходность шпинделя; к) определение составляющих сил резания; л) определение опорных реакций шпинделя; м) жесткость шпиндельного узла; н) проверка выбранных подшипников на долговечность; о) расчет критической частоты вращения шпинделя; р) расчет шпоночных и шлицевых соединений; с) смазка шпиндельных подшипников и зубчатых передач; т) заключение; у) литература; ф) приложение: весь графический материал и спецификация.

Целью курсовой работы является расчет привода главного движения зубофрезерного станка с ЧПУ с бесступенчатым регулированием числа оборотов и расчет шпиндельного узла.

Основные достоинства приводов с бесступенчатым регулированием - повышение производительности обработки за счет точной настройки оптимальной по режимам резания скорости, возможность плавного изменения скорости во время работы, простота автоматизации процесса переключения скоростей.

Для бесступенчатого регулирования скорости, в основном, применяют двигатели постоянного тока.

С целью увеличения диапазона регулирования частот вращения шпинделя между двигателем и шпинделем станка вводят обычную ступенчатую коробку скоростей с прямозубыми зубчатыми передачами. Такие конструкции чаще находят применение в станках с ЧПУ.

Зубофрезерный станок с ЧПУ, предназначен для выполнения разнообразных зубчатых колес.

1. Выбор электродвигателя и оптимизация кинематической структуры бесступенчатого привода (расчет выполнен по программе GEARCAD0)

Предварительные параметры коробки скоростей выбираем при помощи программы GEARCAD0, предназначенной для оптимизации кинематической структуры бесступенчатого привода и расчета диапазона регулирования электродвигателя и коробки скоростей, передаточных отношений в групповых передачах, чисел зубьев зубчатых колес, относительного радиального габарита коробки скоростей.

В качестве о двигателя выбран 4ПФ112М (Р=5,5 КВТ; nном =900 об/мин; nmax=5000 об/мин).

Программа "Оптимизация структуры бесступенчатого привода"

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Номинальное число оборотов вала двигателя, об/мин = 900,0

Минимальное число оборотов вала двигателя, об/мин = 540,0

Максимальное число оборотов вала двигателя, об/мин = 5000,0

Минимальное число оборотов шпинделя (выходного вала), об/мин = 20,0

Максимальное число оборотов шпинделя (выходного вала), об/мин = 1200,0

Минимальное число зубьев любого из колес = 17

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Двухступенчатая двухваловая КС со скользящим блоком

Выбранный диапазон: Gmax=97,000...92,500

M=7700,0...6946,0 i2=0,269841...0,288136

Таблица №1. Кинематические параметры коробки скоростей

№ i1 i2 z1 z2 z3 z4 Gmax M

1 1,759 0,270 51 29 17 63 97,0 7700,0

2 1,724 0,274 50 29 17 62 95,5 7474,0

3 1,821 0,274 51 28 17 62 96,0 7518,0

4 1,786 0,279 50 28 17 61 94,5 7294,0

5 1,889 0,279 51 27 17 61 95,0 7340,0

6 1,852 0,283 50 27 17 60 93,5 7118,0

7 1,815 0,288 49 27 17 59 92,0 6900,0

8 1,960 0,298 49 25 17 57 90 6564,0

Таблица №2 Диапазон регулирования элементов привода и параметры двигателя

№ Rk Rm nдв.min nдв.max Рдв.min i0

1 6,51724 9,20635 543,10345 5000,00000 60,34483 0,13647

2 6,28803 9,54194 524,00270 5000,00000 58,22252 0,13920

3 6,64286 9,03226 553,57143 5000,00000 61,50794 0,13176

4 6,40756 9,36393 533,96359 5000,00000 59,32929 0,13440

5 6,77778 8,85246 564,81481 5000,00000 62,75720 0,12706

6 6,53595 9,18000 544,66231 5000,00000 60,51803 0,12960

7 6,29847 9,52612 524,87291 5000,00000 58,31921 0,13224

8 6,57176 9,12997 547,64706 5000,00000 60,84967 0,12245

Rk - Расчетный диапазон регулирования коробки скоростей. Rm - Требуемый диапазон регулирования электродвигателя. n дв.min - Требуемое минимальное число оборотов вала эл.дв. n дв.max - Требуемое максимальное число оборотов вала эл.дв. P дв.min - Мощность электродвигателя, отдаваемая коробке скоростей, в процентах. i0 - Предварительно рекомендуемое передаточное отношение дополнительной передачи или дополнительных передач.

Блок-схема привода от двигателя до шпинделя:

Далее производится вычисление крутящих моментов и чисел оборотов двигателя и валов коробки скоростей при помощи программы GEARCAD1.

2. Расчет кинематических, силовых и временных параметров коробки скоростей (расчет выполнен по программе GEARCAD1)

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРИВОДА С КОРОБКОЙ СКОРОСТЕЙ

Срок службы редуктора L = 5,0 лет

Коэффициент внутригодовых простоев кг = 0,62

Коэффициент внутрисуточных простоев ксут = 0,67

Коэффициент внутрисменных простоев кисп = 0,80

Коэффициент внутрицикловых простоев км = 0,80

Номинальная мощность двигателя Рдв = 5,5 КВТ

Номинальное число оборотов вала двигателя nном = 900 об/мин

Минимальное число оборотов вала двигателя nmin = 540,0 об/мин

Максимальное число оборотов вала двигателя nmax = 5000,0 об/мин

Количество ступеней коробки скоростей zk = 2

Стандартный знаменатель геометрической прогрессии ряда скоростей шпинделя fi = 1,12 об/мин

Минимальное число оборотов шпинделя nшп.min = 20,00 об/мин

Максимальное число оборотов шпинделя nшп.max = 1200,00 об/мин

График коэффициента использования мощности двигателя

№ Число оборотов шпинделя об/мин, nшп Коэффициент использования мощности, KP

1 0,00 0,00

2 20,00 0,30

3 50,00 0,60

4 100,00 1,00

5 400,00 1,00

6 700,00 0,70

7 900,00 0,80

8 1200,00 0,50

График коэффициента использования времени работы станка

№Число оборотов шпинделя об/мин, NШПКОЭФФИЦИЕНТ использования времени, Kt

1 0,00 0,00

2 20,00 0,08

3 50,00 0,09

4 100,00 0,17

5 400,00 0,13

6 700,00 0,35

7 900,00 0,12

8 1200,00 0,06

В приводе Существует постоянная передача от двигателя к коробке скоростей и Отсутствует постоянная передача от последнего вала коробки скоростей к шпинделю

Коробка скоростей - Двухступенчатая двухваловая КС со скользящим блоком

Величины передаточных отношений передач привода и их номинальный КПД

Передача Номинальный КПД передачи i01=2,000000 0,950 i1=1,960000 0,980 i2=0,298000 0,980 i02=0,061225 0,940

Муфты привода и их номинальный КПД

Муфта Номинальный КПД муфты

Мф1 1,000

Мф2 1,000

Мф6 1,000

Если КПД муфты равен 1, то ее в приводе нет

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Фактический знаменатель геометрической прогрессии ряда скоростей шпинделя fiфакт = 1,1170

Число ступеней шпинделя zшп = 38

График скоростей

Включены передачи i01-i2

№ КПД всего привода Вращающие моменты на валах, Нм Число оборотов на валах, об/мин Время работы передач, час

Тдв=T1i01 T2i01=T1i2 T2i2=Тшп nдв=n1i01 n2i01=n1i2 n2i2=nшп ti01=ti2=тшп

1 0,846 97,3 43,2 2256,0 540,0 1080,0 19,7 169,7

2 0,846 87,0 38,6 2018,4 603,6 1207,1 22,0 169,7

3 0,863 77,9 35,0 1840,2 674,6 1349,2 24,6 173,2

4 0,870 69,7 31,5 1661,1 754,0 1508,0 27,5 175,2

5 0,878 62,3 28,4 1498,8 842,8 1685,5 30,8 177,5

6 0,885 55,8 25,5 1351,8 942,0 1883,9 34,4 180,1

7 0,891 49,9 23,0 1218,7 1052,9 2105,7 38,4 183,0

8 0,898 44,6 20,7 1098,2 1176,8 2353,6 42,9 186,2

9 0,904 39,9 18,6 989,1 1315,3 2630,6 48,0 189,8

10 0,906 35,7 16,6 886,5 1470,1 2940,2 53,6 190,9

11 0,913 32,0 15,0 799,9 1643,2 3286,3 60,0 226,4

12 0,917 28,6 13,4 719,0 1836,6 3673,2 67,0 250,4

13 0,922 23,2 10,9 584,7 2052,8 4105,5 74,9 277,3

14 0,925 19,4 9,2 491,7 2294,4 4588,8 83,7 307,2

15 0,929 16,0 7,6 407,9 2564,5 5128,9 93,6 340,7

16 0,931 13,0 6,2 331,9 2866,3 5732,7 104,6 360,5

17 0,931 11,5 5,5 292,8 3203,7 6407,4 116,9 355,6

18 0,931 11,4 5,4 292,1 3580,8 7161,7 130,7 351,7

19 0,931 10,5 5,0 267,8 4002,3 8004,7 146,0 347,4

20 0,931 7,3 3,5 187,4 4473,4 8946,9 163,2 342,5

21 0,931 5,3 2,5 134,0 5000,0 10000,0 182,5 337,1

Суммарное время работы передачи i2 = 5291,96 час

Включены передачи i01-i1

№ КПД всего привода Вращающие моменты на валах, Нм Число оборотов на валах, об/мин Время работы передач, час

Тдв=T1i01 T2i01=T1i1 T2i1=Тшп nдв=n1i01 n2i01=n1i1 n2i1=nшп ti01=ti1=тшп

18 0,870 97,3 43,2 352,6 540,0 1080,0 129,6 351,7

19 0,870 87,0 38,6 315,5 603,6 1207,1 144,9 347,4

20 0,882 77,9 35,0 286,0 674,6 1349,2 161,9 342,5

21 0,887 69,7 31,5 257,5 754,0 1508,0 181,0 337,1

22 0,893 62,3 28,4 231,8 842,8 1685,5 202,3 331,0

23 0,898 55,8 25,5 208,6 942,0 1883,9 226,1 324,3

24 0,903 49,9 23,0 187,6 1052,9 2105,7 252,7 316,7

25 0,907 44,6 20,7 168,7 1176,8 2353,6 282,4 308,3

26 0,912 39,9 18,6 151,7 1315,3 2630,6 315,7 298,9

27 0,913 35,7 16,6 135,9 1470,1 2940,2 352,8 288,3

28 0,918 32,0 15,0 122,3 1643,2 3286,3 394,4 276,6

29 0,921 28,6 13,4 109,8 1836,6 3673,2 440,8 275,7

30 0,923 23,2 10,9 89,0 2052,8 4105,5 492,7 423,6

31 0,925 19,4 9,2 74,7 2294,4 4588,8 550,7 513,7

32 0,927 16,0 7,6 61,8 2564,5 5128,9 615,5 614,4

33 0,926 13,0 6,2 50,2 2866,3 5732,7 687,9 726,8

34 0,926 11,5 5,5 44,3 3203,7 6407,4 768,9 742,3

35 0,928 11,4 5,4 44,3 3580,8 7161,7 859,4 349,6

36 0,928 10,5 5,0 40,6 4002,3 8004,7 960,6 254,5

37 0,924 7,3 3,5 28,3 4473,4 8946,9 1073,6 180,6

38 0,920 5,3 2,5 20,1 5000,0 10000,0 1200,0 127,2

Суммарное время работы передачи i1 = 7731,17 час

Суммарное время работы передачи i01 = 11644,49 час

ПРИМЕЧАНИЯ

1. Обозначение № обозначает порядковый номер скорости шпинделя.

2. Цифра 1 в индексе - ведущее звено передачи (шестерня) или первая полумуфта. Цифра 2 в индексе - ведомое звено передачи (колесо) или вторая полумуфта.

Поддиапазон определяется включенными передачами.