1 Указания по оформлению и выполнению контрольной работы

1. Контрольная работа выполняется студентом в тетради, на обложке которой необходимо привести следующие сведения:

Контрольная работа №____по дисциплине «Металлорежущие станки»

студента _____________________ машиностроительного факультета

Ф.И.О.

РИ(ф)МГОУ группы________курса______, шифр __________

Преподаватель________________

Ф.И.О.

2. Вариант, который выполняет студент, определяет преподаватель.

3. Студент делает записи на правых страницах тетради, левые страницы оставлены для замечаний преподавателя и для исправлений и дополнений, выполняемых студентом.

4. Условия задания переписывать полностью.

5. Выполнение задания оформлять согласно приведенному примеру.

6. Полученную силовую характеристику привода вычертить в виде рисунка с соблюдением пропорций по обеим осям.

7. График зависимости предельной глубины от скорости резания вычертить с соблюдением линейной зависимости по вертикальной оси t_пр (мм) и логарифмической зависимости по горизонтальной оси v (м/мин).

8. Выполненная работа сдается по окончанию занятий.

9. Если работа не зачтена при рецензировании, студент обязан устранить замечания во вне аудиторное время и сдать работу на повторное рецензирование.

2 Теоретическая часть

2.1 Характеристики приводов от нерегулируемых и регулируемых асинхронных двигателей

В главных приводах металлорежущих станков в качестве источника вращения шпинделя применяют электрические двигатели, в последнее время все более широкое использование приобретают регулируемые асинхронные. Решающее изменение в этом произошло с появлением электродвигателей с частотным регулированием. Эти двигатели сохранили все положительные стороны асинхронных не регулируемых, а системы управления ими, благодаря прогрессу современной электроники, стали малогабаритными и экономичными. По конструкции двигатели с частотным регулированием отличаются от привычных нерегулируемых асинхронных только независимым приводом вентилятора, который активно охлаждает даже на малых оборотах двигателя.

Переход к регулируемым приводам дает возможность улучшить такие выходные характеристики станков, как производительность, качество выпускаемой продукции, сократить энергопотребление, материалоемкость, трудозатраты изготовления, снизить уровень шума.

Особенно эффективны регулируемые приводы в станках с ЧПУ, когда появляется возможность использовать в работе оптимальные схемы и режимы обработки.

Рассмотрим особенности нерегулируемых и регулируемых двигателей и приводов на их базе. На рисунке 1 по оси абсцисс отложена частота вращения, по оси ординат – мощность и вращающий момент.

Асинхронные нерегулируемые двигатели (АД) работают на номинальной частоте вращенияn_ном с примерно постоянными мощностью Р_д и моментом Т, отраженными соответственно на рисунке 1 в районе точек А и В.

Ч

Рис. 1. Силовая характеристика привода с асинхронным нерегулируемым двигателем

астотыn вращения шпинделя от n_min до n_max получаются путем переключения ступеней в коробках передач. Частота n_max меньше частоты вращения двигателя n_ном за счет редукции между двигателем и коробкой скоростей, чаще всего это ременная передача. Приняв постоянными потери в механизмах привода на разных ступенях (η – кпд привода), имеем для мощности на шпинделе Р_шп = ηР_Д горизонтальную прямую 1, лежащую несколько ниже координаты Р_Д .Вращающий момент на шпинделе Т = (линия 2) уменьшается ступенчато с переключением в коробке скоростей частоты вращения шпинделя от n_min до n_max.

Нужно обратить внимание на одну из не вызванных необходимостью особенностей нерегулируемого привода. Обычно нагрузка на шпинделе 3 при малых скоростях его вращения невелика, а мощность 1 и момент 2 велики. В приводе от АД при малых скоростях резания возникает потенциальная возможность точить с такими чрезмерно большими глубинами резания, реализовать которые в большинстве случаев нет необходимости и возможности. Нет режущих пластин с такими протяженными режущими кромками, при очень большой ширине стружки возникают вибрации.

Иначе выглядит характеристика регулируемого привода. На рисунке 2 показана силовая характеристика асинхронного двигателя с частотным регулированием (АДЧР). Это не точки с рисунка 1, а линии от нуля до n_max.

П

1. Рис. 2. Силовая характеристика двигателя с частотным регулированием

редельные значения мощностиР и момента Т на валу двигателя в зависимости от частоты вращения n двигателя имеют три отличающихся друг от друга участка (см. индексы 1,2 и 3). Участок 1 называют участком работы двигателя с постоянным моментом. Участок 2 – участком работы двигателя с постоянной мощностью. На первом участке от нуля до номинальной частоты n_ном мощность Р₁ возрастает от нуля до своей номинальной величины Р_{ном дв} = Р₂, которая является также максимальной. Вращающий момент Т₁ на этом участке имеет постоянную величину. На втором участке от n_ном до n_1-s1 мощность Р₂ остается постоянной, а момент Т₂ падает. На третьем участке от n_1-s1 до n_max величины мощности Р₃, и момента Т₃ уменьшаются.

Как было отмечено выше, нагрузка на шпинделе станка, характеризуемая мощностью Р_нагр, обычно растет с увеличением частоты вращения. Между силовыми возможностями привода и нагрузкой Р_нагр возникает некоторая гармоничность: мощность Р₁ и нагрузка Р_нагр растут с увеличением частоты вращения. А большие моменты на малых скоростях просто излишни.

Ш

2. Рис. 3. Характеристика однодиапазонного привода от АДЧР

пиндель станка получает вращение от регулируемого двигателя через редукторную часть приводаc передаточным отношением i. На рис. 3 показана правей и выше мощность двигателяР_дв и левей и ниже мощность на шпинделе Р_ро в зависимости от частоты вращения: Р_ро = ηР_дв; n_{ном ро} = n_{ном дв} / i; n_{макс.ро} = n_{макс.дв} / i, где_. n_ном.дв, n_{ном ро}, n_{макс.дв}, n_{макс.ро} – соответственно номинальные и максимальные частоты вращения двигателя и рабочего органа, которым является шпиндель станка. в связи с редукцией между двигателем и шпинделем. Мощность на шпинделе меньше мощности двигателя в связи с действием коэффициента полезного действия η.

2.2 Связь характеристик привода и нагрузок на шпиндель станка

Широкий диапазон вращения АДЧР от 0 до n_{макс.дв} создает иллюзию легкости построения регулируемых приводов, если оценивать у них только скоростную характеристику, не обращая внимание на силовую.

Сопоставление (рис.4) нагрузки на шпинделе (кривые 2) и силовых возможностей привода (линии 1) является важнейшим этапом его проектирования. В станках с увеличением скорости и пропорциональной ей частоты вращения нагрузка, выраженная мощностью резанияР_рез, возрастает по параболическому закону. На рисунке 4 показано часто встречающееся решение, при котором третий участок падения мощности в характеристике двигателя не используют конструкции привода.

Резание возможно, когда выполняется условие Р_ном.ро.= ηР_дв ≥ Р_рез,

кривая нагрузки 2 расположена ниже линии 1. Если мощность резания оказывается больше мощности привода на его горизонтальном участке, то необходимо увеличивать мощность привода. Если превышение происходит на наклонном участке, как это показано на рисунке 4,а), то возможно принципиально иное решение – увеличить редукцию привода, чтобы кривая 2 нагрузки оказалась ниже линии мощности 1 на всем протяжении работы (рис.4,б).

Рассмотрим зависимость между мощностью на шпинделе Р_шп и параметрами резания на примере точения:

, (1)

где k₁ – коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала заготовки; k₂ – коэффициент, зависящий от обрабатываемости материала заготовки; t – глубина резания (мм); v – скорость резания (м/мин); s_о – подача на оборот (мм/об); m и y – показатели степени при скорости и подаче.

Введем понятие предельной глубины t_пр – максимально возможной глубины резания, определяемой силовой характеристикой привода:

t_пр = . (2)

Предельная глубина резания является подходящим параметром для оценки силовых возможностей регулируемого главного привода.

Используя заданное значение предельной глубины резания можно решить две задачи:

1) создание возможности выполнять обработку с максимальной производительностью;

2

Рис.5 Зависимость t_пр от скорости резания для привода от АДЧР

) найти характеристики редуктора, обеспечивающего заданную предельную глубину резания при минимальной его материалоемкости.

График зависимости предельной глубины резания от скорости (рис.5) имеет два участка восходящий 1 и нисходящий 2. Левый участок 1 графика соответствует постоянному моменту на шпинделе, правый – постоянной мощности. Предельная глубина резания на участке 1, на котором мощность переменна: t_пр = = ,

на участке 2: t_пр = = .

Положение точкиВ пересечения участков 1 и 2 соответствует номинальной частоте вращения рабочего органа n_ном.шп= n_{макс.дв} / i, зависит от выбранного передаточного отношения i между двигателем и шпинделем. Слишком малое передаточное отношение сдвинет точку В вправо на излишнюю величину. Это приведет к пониженным вращающим моментам на шпинделе, величина предельной глубины резания понизится, и станок не сможет работать с достаточно высокой производительностью.

Е

Рис.6. Зависимость t_пр от скорости резания при избыточной редукции

сли передаточное отношение привода увеличивать, то точкаВ будет сдвигаться влево вверх по кривой, отображенной тонкой линией, увеличивая предельную глубину резания (рис. 6). Это увеличение будет позитивным только в определенных пределах. При чрезмерно большой редукции в привод с АДЧР будет перенесен недостаток привода с нерегулируемым АД. Предельная глубина резания станет избыточной.

Исследования и практика мирового станкостроения показывают, что в главных приводах легких станков можно использовать мотор-шпиндели, у которых ротор двигателя одновременно является шпинделем станка. Эта тенденция заметна в сверлильно-фрезерно-расточных станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах), у которых можно ограничить максимальный размер режущего инструмента, например, работать торцовыми фрезами диаметром не более 100 мм. В токарных станках приходится обрабатывать заготовки большого диаметра. Станкам средних размеров наиболее приемлемыми являются приводы с двумя диапазонами вращения, которые создаются двухскоростной коробкой скоростей.