Вопрос 29: Определение исходных данных для проектирования привода главного движения. Проектирование привода главного движения станка

Приводы металлорежущих станков предназначены для осуществления рабочих, вспомогательных и установочных переме­щений инструментов и заготовки. Их делят на приводы главного движения — скорости резания и приводы подач — координатных перемещений и вспомогательных перемещений. К каждому виду привода, с учетом служебного назначения станка, предъявляют свои специфические требования по передаче силы, обеспечению по­стоянства скорости, ее изменения и настройки, точности перемеще­ния и погрешности позиционирования узла, быстродействию, на­дежности, стоимости, габаритным размерам.

В связи с развитием числового управления станками каждое движение чаще всего осуществляется от своего отдельного источника — электрического или гидравлического двигателей различных типов, обладающих своими особенностями, определяющими области ра­ционального применения.

При разработке приводов станков следует учитывать, что име­ющиеся системы электро- и гидроприводов позволяют решить многие задачи, связанные с регулированием и изменением скорости и на­правления движения, которые раньше решали лишь с помощью механических устройств. В итоге существенно упрощается механи­ческая часть привода, укорачиваются кинематические цепи, что способствует повышению жесткости привода и точности перемеще­ния, упрощается автоматическое дистанционное управление приво­дом, расширяются возможности унификации приводов и выполнения их в виде отдельных агрегатов (модулей). Общий вид токарного станка с унифицированными приводами представлен на рис. 12.1. Существует тенденция применения в станках модульного комплектного электрооборудования для осуществления всех движений, что существенно упрощает автоматизацию станков, их стыковку с си­стемами числового управления.

Важнейшими исходными данными для проектирования привода главного движения являются диапазон регулирования частоты вра­щения R_n и мощность Р, передаваемая приводом. Эти технические характеристики зависят от служебного назначения станка, их опре­деляют на основе анализа технологических процессов обработки множества деталей и соответствующей номенклатуры режущего инструмента, оговоренных техническим заданием на проектирование.

При этом

(12/1)

Рис. 12.1 Унифицированные приводы токарного станка:

1- главный привод; 2— привод продольной подачи; 3 - привод поперечной подачи; 4 -привод поворотного резцедержателя

Для приводов с главным вращательным движением n_max и n_min – максимальная и минимальная частоты вращения шпинделя, опреде­ляемые по предельным (мак­симальным и минимальным) для всех операций скоростям резания v_max и v_min и пре­дельным для них же разме­рам обработки D_max и D_min:

. (12.2)

При назначении диапа­зона регулирования и мощ­ности привода необходимо учитывать, что увеличение их значений усложняет и Рис. 12.1. Унифицированные приводы то удорожает привод, а зани­жение приводит к уменьше­нию производительности из-за невозможности приме­нения экономически выгод­ных режимов обработки для всей требующейся совокупности опе­раций.

Выбор R_n и Р целесообразно проводить на основе производствен­ных статистических данных по использованию станков соответству­ющего типа и размера на различных скоростях резания и при раз­личных мощностях. При этом должна быть учтена возможность об­работки деталей с предельными размерами, а следовательно, и с пре­дельными характеристиками на соседних по размерам станках в ряду станков данного типа. В качестве примера на рис. 12 2 при­ведены графики распределения мощности и частот вращения шпин­деля для станков определенного размера. Наличие подобных гра­фиков позволяет провести оптимизацию величин R_n и Р по крите­рию минимума приведенных затрат.

Так как технологическая производительность пропорциональна скорости резания, и, следовательно, частоте вращения, то относи­тельная потеря производительности при ограничении частоты вращения некоторой величиной n_max будет пропорциональна площади, ограниченной кривой распределения (на рис. 12.2, б заштрихована). При увеличении R_n, т. е. увеличении n_max, относительная потеря производительности уменьшается, а следовательно, эффективность станка увеличивается, приведенные затраты на обработку снижаются. Однако это снижение возможно лишь до определенных пределов, так как при возрастании R_n неизбежно увеличивается стоимость привода за счет усложнения конструкции. Аналогичные рассуждения можно провести и при выборе мощности привода. Действительно, с увеличением мощности возрастает общая стоимость и станка, и его эксплуатации, однако уменьшается потеря производительности от недоиспользования режимов резания. Эти противоположные тен­денции предопределяют наличие некоторого значения номинальной мощности привода, обеспечивающей минимум приведенных затрат.

Рис. 12.2. Распределение веро­ятности использования станка;

а — по мощности; б — по частоте вращения

Такой метод выбора предельных характеристик неприменим в том случае, если необходимо обеспечивать на станке выполнение конкретных технологических операций с конкретными, хотя и редко применяемыми режимами, например, нарезание резьбы на токарно-винторезных станках, обработка деталей из труднообрабатываемых материалов или легких сплавов и т.д. При конструировании необ­ходимо также учитывать тенденцию, связанную с применением новых эффективных инструментальных материалов, что требует увеличения диапазона регулирования и повышения мощности.

Для обеспечения процессов резания с учетом потерь в приводе мощность двигателя" в станке следует определять по формуле

P_д=Р_э+Р_т=Р_э+Р₁+Р₂, (12.3)

где Р_э — эффективная мощность резания; Р_т = Р₁ + Р₂ – мощ­ность, расходуемая на преодоление вредных сопротивлений, причем Р₁ — постоянные, не зависящие от нагрузки потери холостого хода; Р₂ — дополнительные потери, появляющиеся при передаче¹ полез­ной мощности."

Эффективную мощность резания определяют в соответствии с ре­жимами обработки:

Р_э=(F₂v/(60*10³)) (12.4)

где F₂ —тангенциальная составляющая силы резания, Н; v —скорость резания, м/мин.

Рис. 12.3. Экспериментальные значения КПД привода станка в зависимости от нагрузки и частот вращения шпинделя и приводного вала:

–––– - частота вращения приводного вала 830 мин^-1;

– – – - 1480 мин^-1;

— — – -1600 мин^-1

Мощность холостого хода су­щественно увеличивается с уве­личением скорости и может со­ставлять значительную долю об­щей мощности в скоростных станках:

(12.5)

где d — средний диаметр шеек под подшипник всех промежуточных валов коробки скоростей, мм; d₀ —диаметр шеек шпинделя, мм;

∑ п —сумма частот вращения всех промежуточных валов, мин^-1;

- частота вращения шпинделя; k₁ = 1,5/2,0 — коэффициент, учитывающий повышенные за счет предварительного натяга потери в шпиндельном узле; k₂ = 3/5 — коэффициент, учитывающий со­вершенство системы смазывания.

Дополнительные потери составляют обычно не более 10—15 % всей потребляемой мощности, что позволяет не учитывать их при приближенных расчетах.

Мощность двигателя может быть выбрана, если известен общий КПД привода т),

(12.6)

в свою очередь,

(12.7)

где — КПД конкретных передач или опор; — число однотип­ных передач или опор с одинаковым КПД.

Для приводов главного движения обычно = 0,75/0,85, од­нако он не является постоянной величиной и зависит от многих факторов: нагрузки, скорости, качества изготовления и сборки, со­вершенства системы смазывания и т. д. (рис. 12.3).

Расчет мощности двигателя по формуле (12.6) возможен только при передаче полной мощности; ориентировочная оценка КПД может привести к существенным ошибкам при определении мощности дви­гателя, особенно для быстроходных станков. В этих случаях целе­сообразно определять ее либо экспериментально, либо с учетом ста­тистических данных по использованию аналогичных станков.

В станках, в которых режим нагрузки изменяется и носит по­вторно-кратковременный характер (сверлильные, токарно-револьверные), можно допускать значительную перегрузку электродвига­теля. Исходя из этого, номинальная мощность электродвигателя может быть принята равной эффективной мощности на шпинделе станка.

При обработке на станке деталей различных размеров величины F_z и v в первом приближении остаются постоянными, переход на чи­стовые режимы обработки приводит к уменьшению F_z, но к возрастанию v, кроме того, при этом увеличива­ются потери на трение. По­этому желательно (хотя и не всегда возможно), чтобы в приводах главного движе­ния обеспечивалось постоян­ство передаваемой мощно­сти по всему диапазону R_n (рис. 12.4).

В этом случае крутящий момент в приводе М_кр, опре­деляющий размеры всех эле­ментов привода, будет наи­большим при n = n_{min ,}что приводит к увеличению габаритных размеров и стоимости привода. Б

Большое число статистических данных по обследова­нию фактической загрузки станков общего назначения показывает, что в нижней четверти или даже трети диапазона регулирования полная мощность не используется. Поэтому для станков общего назначения целесообразно применять привод с комбинированным регулированием, если до условной расчетной частоты обеспечивается регулирование с постоянным моментом в диапазоне R_M, а выше — регулирование с постоянной мощностью в диапазоне R_P. Значение максимального крутящего момента, по которому ведут силовой расчет привода, существенно уменьшается. Более точно ве­личина п_р, до которой используется полная мощность привода, может быть найдена на основе анализа технологических процессов обработки на проектируемом станке.(Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов/Под. ред. В.Э. Пуша.- М.: Машиностроение,1985.- 256с.,ил.)