Расчет и конструирование многоскоростных станочных приводов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

В. К. Зальцберг, А. И. Лурье

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МНОГОСКОРОСТНЫХ СТАНОЧНЫХ ПРИВОДОВ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением

по профессионально-педагогическому образованию для студентов специальности «Профессиональное обучение» (машиностроение и технология, оборудование, материаловедение и обработка материалов)

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ

Основные этапы проектирования металлорежущего станка

Создание каждой новой модели станка является результатом большого творческого труда коллективов конструкторов и исследователей.

В соответствии с ГОСТ 2.103–68* «Стадии разработки» основными этапами проектирования станков, принятыми в практике станкостроения, являются: техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация.

Техническое предложение. Его цель — обосновать целесообразность создания станка и дать исходные данные для его проектирования. Новый станок должен иметь более высокие технические характеристики по сравнению с существующими станками, обеспе- чить явные преимущества в случае его применения. Эти новые ка- чества могут быть разнообразны: повышенная точность и производительность станка, уменьшенные габариты, упрощенная конструкция, повышенная степень автоматизации и универсальность, возможность применения более высоких режимов обработки и др.

При составлении технической характеристики проектируемого станка, как правило, дается сводная таблица характеристик лучших станков данного типа. В техническом задании указываются основные конструктивные особенности будущего станка, разрабатывается ориентировочный вариант его кинематической и электрической схем, устанавливаются технические характеристики, которым должен отвечать новый станок.

Эскизный проект. При его разработке выбирается наиболее целесообразный вариант компоновки станка и его узлов, рассчитываются основные узлы, окончательно разрабатываются кинемати- ческая, электрическая и гидравлическая схемы станка. Стадия эскизного проектирования необходима для того, чтобы, не затрачивая времени на окончательную доработку проекта, выбрать оптимальный вариант конструкции на основе анализа нескольких конструкций однотипных узлов.

3

Технический проект. При выполнении технического проекта станка производится окончательное оформление конструкции станка. Разрабатываются сборочные чертежи всех узлов и спецификация к ним с указанием оригинальных, покупных и нормализованных деталей. Рассчитываются все узлы и детали. В техническом проекте стремятся к наибольшему применению стандартных и унифицированных узлов, деталей. Технический проект, как правило, детально обсуждается и после корректировки служит основой для рабочего проекта станка.

Рабочая документация. Разрабатываются рабочие чертежи узлов, оригинальных деталей и технические условия к ним. Эти чертежи содержат все данные для изготовления деталей и сборки узлов станка. Они являются техническим документом для проектирования соответствующих технологических процессов.

Отработка внешней формы узлов и станка производится с помощью эскизов, по которым выполняется макет в натуральную величи- ну. На макете окончательно утверждаются детали оформления, после чего вносятся коррективы в рабочие чертежи. По рабочему проекту изготавливается опытный образец станка для проведения испытаний. Выявленные при испытании неисправности устраняются и корректируются чертежи. По исправленным чертежам выпускается опытная серия для дополнительной проверки станка в изготовлении и эксплуатации. Во время испытаний опытной серии учитываются все недостатки, вносятся исправления в рабочие чертежи, и только после этого станок запускается в серийное производство.

Тема и объем курсового проекта

Темой курсового проекта является разработка конструкции универсального станка. Узлы, которые указаны в задании, проектируют подробно. Все остальные узлы и элементы кинематики заимствуются из существующих моделей станков [1]. При проектировании общего вида станка неразрабатываемые студентом узлы вычерчиваются по аналогии с существующими станками.

Курсовой проект состоит из графической части и расчетно-по- яснительной записки. Графическая часть курсового проекта выполняется на 4–5 листах формата А1. Примерный перечень чертежей:

4

1. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНКА

Для сокращения затрат времени на выполнение курсового проекта и с учетом его учебного характера часть исходных данных для проектирования указана в задании на проект.

Используя эти данные, проектант должен:

а) сделать обзор конструктивных вариантов станков заданной группы, обосновать особенности проектируемого станка;

б) выбрать режимы обработки; в) рассчитать диапазон регулирования;

г) определить знаменатель ряда частот вращения (подач); д) выбрать стандартный ряд частот вращения (подач).

1.1. Обзор конструктивных вариантов станков заданной группы

Современный парк металлорежущих станков характеризуется большим разнообразием типов и моделей. Почти всегда любую деталь можно обработать на имеющихся станках. Поэтому вновь проектируемый станок должен иметь более высокие технические характеристики по сравнению с существующими и обеспечивать явные преимущества в случае его применения.

Проектант должен изучить и проанализировать технические данные и конструктивное оформление станков подобных проектируемому. Для обзора необходимо подобрать наилучшие образцы отдельных узлов, компоновок, систем управления, которые можно применить в проекте. Это позволит создать реальную и современную конструкцию проектируемого узла и станка в целом.

1.2. Выбор режимов обработки

Режимы обработки, силы резания и эффективная мощность должны быть определены для всего диапазона обрабатываемых материалов и материалов инструмента, указанных в задании, исклю-

6

чая нереальные комбинации. Назначать режимы обработки следует по нормативам и справочникам режимов резания [12, 14]. Расчет режимов по эмпирическим формулам необязателен. Выбирая режимы обработки, следует обязательно указать принятые тип, геометрию и материал инструмента, обосновать поправочные коэффициенты.

При выборе режимов обработки необходимо учитывать особенности станков различных групп:

1.Для токарных станков при определении наибольшей скорости резания принимают:

а) глубину резания и подачу наименьшими; б) материал режущей части резца — твердый сплав;

в) стойкость наименьшую (например, Ò = 30 ìèí).

При определении наименьшей скорости резания глубину резания, подачу и стойкость инструмента принимают наибольшими.

Значение предельных скоростей резания определяют при работе без охлаждения. Для токарно-винторезных станков найденное значение наименьшей скорости резания следует сравнить со скоростями резания, используемыми при нарезании резьбы резцами.

Наибольшие значения сил резания определяют при наименьшей стойкости инструмента и при наибольших глубине резания и подаче.

Наибольшая эффективная мощность, потребная на резание, определяется по максимальной силе резания и соответствующей ей скорости резания.

2.Для сверлильных станков при определении наибольшей скорости резания диаметр сверла и подачу принимают наименьшими,

àпри расчете наименьшей скорости резания диаметр сверла и пода- чу принимают наибольшими.

Найденное значение минимальной скорости резания следует сравнить с допустимыми скоростями резания для выполнения других работ на станке: нарезания резьб машинными метчиками, зенкерования, развертывания и др.

Наибольшие значения осевой силы и момента резания при

сверлении определяются для максимального диаметра сверла и наибольшей подачи. При этих же условиях вычисляется наибольшая эффективная мощность, необходимая для сверления.

3. Для фрезерных станков при определении наибольшей скорости резания принимают:

7

а) материал режущей части фрезы — твердый сплав; б) диаметр фрезы минимальный; в) стойкость минимальную;

г) глубину резания и подачу на зуб фрезы минимальные; д) ширину фрезерования наименьшую, но с обеспечением рав-

номерного фрезерования.

При определении наименьшей скорости резания принимают: а) материал режущей части фрезы — быстрорежущую сталь; б) диаметр фрезы и стойкость наибольшие; в) глубину резания и подачу на зуб фрезы наибольшие; г) ширину фрезерования наибольшую.

Наибольшие значения окружной силы резания и эффективной мощности определяют при следующих условиях:

1.Материал режущей части фрезы при цилиндрическом фрезеровании — быстрорежущая сталь, при торцевом — твердый сплав.

2.Глубина резания и подача на зуб фрезы наибольшие.

3.Ширина фрезерования наибольшая.

4.Диаметр фрезы наибольший.

5.Стойкость фрезы наименьшая.

Следует иметь в виду, что при износе зубьев фрез до оптимальной величины сила фрезерования увеличивается при обработке вязких сталей на 75–90 %, при обработке сталей средней твердости и чугунов — на 20–40 %.

1.3. Расчет диапазона регулирования

Диапазоном регулирования называют отношение предельных частот вращения шпинделя.

По выбранным скоростям резания и диаметрам обработки (инструмента) подсчитываются предельные частоты вращения шпинделя.

Найденный диапазон регулирования является ориентировоч- ным и подлежит уточнению после выбора знаменателя ряда частот вращения. Диапазон регулирования может получиться слишком большим или слишком малым. В этих случаях не нужно повторять выбор режимов резания или корректировать их. Следует обратиться к литературным рекомендациям и к материалам анализа существующих моделей станков данной группы.

8

1.4. Определение знаменателя ряда частот вращения (подач)

Знаменатель ряда частот вращения определяют по формуле

ãäå z — число скоростей (подач); R — диапазон регулирования. Расчетную величину знаменателя следует округлить до стан-

дартного значения. Отраслевой стандарт ОСТ 2 Н11-1–72 рекомендует для универсальных станков в основном применять знаменатели 1,26; 1,41; 1,58, а ГОСТ 8032–84 — «Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел» — допускает применение приближенных предпочтительных чисел, значения которых равны 1,25; 1,4 и 1,6 (прил. 1).

При выборе знаменателя ряда следует учитывать величину Rãð.íàèá (см. с. 15) и дополнительные условия проектирования, указанные в задании. Так, применение двухскоростного электродвигателя ограничи- вает возможные значения знаменателя, применение перебора позволяет принимать большие значения знаменателя и т. д. Окончательно принять знаменатель ряда, диапазон регулирования и мощность привода следует после сравнения рассчитанных параметров с рекомендациями литературы и с характеристиками аналогичных станков.

Результаты сравнения и принятые параметры необходимо представить в виде табл. 1 и согласовать с руководителем проекта.

Ò à á ë è ö à 1

Технические характеристики станка

Расчетное (заданное)

Рекомендуемое (ссылки)

Существующих моделей cтанков

Принятое

Частоты вращения следует принять из стандартного ряда (см. прил. 1).

9

2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ

Задачами кинематического расчета являются:

–выбор порядка расположения постоянных и множительных передач (варианта кинематической схемы);

–выбор последовательности переключения множительных передач;

–определение частных передаточных отношений;

–расчет чисел зубьев шестерен и диаметров шкивов.

Для удобства и облегчения кинематического расчета коробок скоростей и подач широко применяют графоаналитический метод, достоинством которого является большая наглядность, облегчающая сравнение вариантов [11]. Метод основан на последовательном построении графиков двух видов: структурной сетки и графика частот вращения. Первый график используется для выявления вариантов (последовательностей) переключения передач и определения относительных величин их передаточных отношений. С помощью второго графика устанавливаются абсолютные величины этих отношений, а также конкретные частоты вращения.

2.1. Закономерности ступенчатого регулирования

На выходе многоскоростного привода требуется получить геометрический ряд частот вращения. Рассмотрим, как должны изменяться передаточные отношения в таком приводе на примере коробки скоростей, кинематическая схема которой приведена на рис. 1.

Предположим, что для изменения частот вращения шпинделя, которые образуют геометрический ряд, в первую очередь будем переключать блок Б2, во вторую — блок Б1, в третью — блок Б3. Запишем уравнения кинематического баланса для всех частот вращения шпинделя, имея в виду, что для получения níàèì необходимо в каждой группе передач использовать наименьшее передаточное отношение, а для níàèá — наибольшее:

10