Задание

Спроектировать коробку скоростей горизонтальной правой бабки продольно-фрезерного станка.

Исходные данные:

1. Число скоростей z=24;

2. Знаменатель прогрессии φ=1,12;

3. Структурная формула z=;

4. Материал заготовки - сталь, чугун;

5. Максимальная ширина обработки В=320мм;

6. Метод управления –однорукояточный.

Введение

Продольно-фрезерные станки предназначены для обработки крупногабаритных деталей, в основном, торцовыми фрезами. Двустоечный станок имеет четыре фрезерные бабки – 2 с вертикальным и 2 с горизонтальным расположением шпинделя. Каждая фрезерная бабка имеет самостоятельный привод: электродвигатель и коробку скоростей. Правая бабка перемещается вертикально по стойке портала (установочное движение) с помощью ходового винта. Главное движение, вращение шпинделя, осуществляется через 24-х ступенчатую коробку скоростей (проектируемый узел). При проектировании будем стремиться разработать конструкцию с максимально возможной точностью передаточных отношений и минимальными габаритами узла, применением, по возможности, наиболее дешёвых материалов, обеспечении ремонтоспособности и надёжности работы, простоты конструкции и эксплуатации.

1 Определение режимов резания

Станок предназначен для торцового фрезерования плоских поверхностей с максимальной шириной фрезерования В=320мм.

При определении предельных скоростей резания предпочтительно принимать для чистовых работ, - для черновых работ, соответственно при минимальной подаче и глубине резания (чистовая обработка) и максимальных подаче и глубине резания (чистовая обработка).

В качестве материала при наибольшей скорости резания принимать материал с низкой твёрдостью (чугун НВ160), которой обладает ковкий чугун КЧ306 (НВ150), материал режущей части фрезы – твёрдый сплав.

При определении минимальной скорости резания – материал с высокой твёрдостью (сталь жаропрочная =532 МПа). Это сталь марки 12Х18Н9Т, материал режущей части фрезы – твёрдый сплав (стр.94 [1]).

В обоих случаях в качестве материала режущего инструмента принимаем твёрдый сплав, как наиболее прогрессивный в настоящее время материал по сравнению с быстрорежущей сталью.

1.1 Режимы резания при черновой обработке

1.1.1 Определение диаметра фрезы

При торцовом фрезеровании плоскостей для достижения производительных режимов резания диаметр фрезы D должен быть больше ширины фрезерования В, т.е. D=(1,25…1,5)В (стр. 281 [2]).

Тогда D=(1,25…1,5)320=400…480мм, принимаем D=400мм.

1.1.2 Обработка чугуна (черновая операция)

Инструмент: торцовая насадка фрезы со вставными ножами, оснащёнными пластинами твёрдого сплава марки ВК6 (стр.187, табл.94) ГОСТ9473-80:

наружный диаметр D=400мм;

посадочный диаметр d=60мм;

число зубьев z=20.

Принимаем минимальную глубину резания t=10мм (стр.93 [1]).

Подача (стр.285, табл.37[2]) Sz=0,14мм/об,

;

Скорость резания (стр.282 [2]):

,

где по табл. 39, стр. 288 [2]:

=108; q=0,2; x=0,06; у=0,3; u=0,2; p=0; m=0,32.

Стойкость фрезы принимается минимальной (стр.94 [1]) Т=240 мин.

Коэффициент (стр. 282 [2])

,где Kr=0,8 (стр.262, табл.2 [2]),

;

=0,8 – табл.5, стр.263 [2] – поковка;

=1,4 – табл.6, стр.263 [2] – для Т5К10;

;

.

Число оборотов фрезы:

.

1.2 Режимы резания при чистовой обработке

1.2.1 Определение диаметра фрезы

При торцовом фрезеровании плоскостей для достижения производительных режимов резания диаметр фрезы D должен быть больше ширины фрезерования В, т.е. D=(1,25…1,5)В (стр. 281 [2]).

Тогда D=(1,25…1,5)320=400…480мм, принимаем D=400мм.

1.2.2 Обработка чугуна (чистовая операция)

Инструмент: торцовая насадка фрезы со вставными ножами, оснащёнными пластинами твёрдого сплава марки ВК6 (стр.187, табл.94) ГОСТ9473-80:

наружный диаметр D=400мм;

посадочный диаметр d=60мм;

число зубьев z=36.

Принимаем минимальную глубину резания t=1мм (стр.93 [1]).

Подача (стр.285, табл.37[2]) S=0,3мм/об,

;

Скорость резания (стр.282 [2]):

,

где по табл. 39, стр. 288 [2]:

=994; q=0,22; x=0,17; у=0,1; u=0,22; p=0; m=0,33.

Стойкость фрезы принимается минимальной (стр.94 [1]) Т=120 мин.

Коэффициент (стр. 282 [2])

(стр.261, табл.1 [2]), =1,25 ( табл.2, стр.262 [2]):

;

=1,0 – стр.263, табл.5[2] – обработка поверхности без корки;

=1,0 – стр.263, табл.6[2] – материал инструмента ВК6;

;

.

Число оборотов фрезы:

.

1.3 Расчёт максимальной силы резания

Максимальная сила резания будет возникать при черновой обработке.

(стр. 282 [2]),

где по таблице 41, стр. 291 [2]: Cp=491; x=1; y=0,75; u=1,1; g=1,3; w=0; Kmp=0,9.

1.4 Крутящий момент на шпинделе (стр.290 [2]):

Нм.

1.5 Мощность резания (стр.290 [2]):

м/мин;

кВт.

2 Определение исходных данных для проектирования.

2.1 Определение диапазона регулирования частот вращения (стр.108[1]): .

2.2 Определение числа ступеней частот вращения шпинделя (стр.108[2]):

Принимаем z = 24.

3 Кинематический расчет.

3.1 Определяем требуемые числа оборотов шпинделя из геометрического ряда для φ = 1,12 (стр.280[1]), об/мин:

n₁ = 31,5; n₉ = 80; n₁₇ = 200;

n₂ = 35,5; n₁₀ = 90; n₁₈ = 224;

n₃ = 40; n₁₁ = 100; n₁₉ = 250;

n₄ = 45; n₁₂ = 112; n₂₀ = 280;

n₅ = 50; n₁₃ = 125; n₂₁ = 315;

n₆ = 56; n₁₄ = 140; n₂₂ = 355;

n₇ = 63; n₁₅ = 160; n₂₃ = 400;

n₈ = 71; n₁₆ = 180; n₂₄ = 450;

По заданной структурной формуле z = 3₈2₄4₁ строим структурную сетку (рис.1) (стр.100[3]).

Из структурной сетки получаем следующие отношения для передаточных чисел:

i₁ : i₂ : i₃ = φ⁸ = 1,12⁸ = 2,476,

i₄ : i₅ = φ⁴ = 1,12⁴ = 1,5735,

i₆ : i₇ : i₈ : i₉ = φ = 1,12,

где значения φ в различных степенях:

φ¹ = 1,12 φ⁷ = 2,21 φ¹³ = 4,363 φ¹⁹ = 8,613

φ² = 1,2544 φ⁸ = 2,476 φ¹⁴ = 4,887 φ²⁰ = 9,646

φ³ = 1,405 φ⁹ = 2,773 φ¹⁵ = 5,474 φ²¹ = 10,804

φ⁴ = 1,5735 φ¹⁰ = 3,106 φ¹⁶ = 6,13 φ²² = 12,1

φ⁵ = 1,7623 φ¹¹ = 3,478 φ¹⁷ = 6,866 φ²³ = 13,532

φ⁶ = 1,9738 φ¹² = 3,896 φ¹⁸ = 7,69 φ²⁴ = 15,1786

Рис.1 – Структурная сетка.

3.2 Построение графика чисел оборотов.

Выбор i должен производится так, чтобы его значения не выходили за допускаемые пределы (для исключения больших размеров зубчатых колес), стр.101[3]:

. (2)

Принимаем следующие передаточные числа, принимая во внимание выражение (2) для φ = 1,12:

.

Тогда

i₁ : i₂ : i₃ =

i₄ : i₅ =

i₆ : i₇ : i₈ : i₉ =

В соответствии с полученными передаточными отношениями строим график чисел оборотов (рис.2).

Рис.2 — График чисел оборотов

Принимаем электродвигатель с синхронной частотой вращения n_с = 500 об/мин.

Асинхронная частота: n_а = (1-0,06) n_с = (1-0,06)·500 = 470 об/мин (стр.27[3]).

Вал II вращается с частотой n_II = 450 об/мин (рис.2).

Тогда передаточное число i₀:

i₀ = .

3.3 Определение числа зубьев зубчатых колес.

Числа зубьев определяем по табл.3, стр.121[4]. При этом находим Σz такое, чтобы для каждой передачи z_min ≥ 18, межосевое расстояние должно быть одинаковым для всех передач одной группы, т. е. сумма зубьев сцепляющихся пар должна быть одинаковой, модули для пар одной группы тоже одинаковы. Данные в табл.1.

Таблица 1.

iр	i0=	i1=	i2=	i3=1	i4=	i5=	i6=1	i7=	i8=	i9=
iф				1			1
Σz	41	136			55		52

3.4 Определяем действительные значения частот вращения шпинделя с учетом конкретных чисел зубьев колес на каждом валу и сравниваем их со стандартными значениями (рис.2). Отклонение действительных величин от геометрического ряда не должно отличаться более, чем на ∆ = ± 10(φ – 1) %, т. е. ∆ = ± 10(1,12 – 1) % = ± 1,2 %.

Данные расчета сводим в таблицу 2.

; ;

; ;

; ;

;;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; ;

; .

Таблица 2

№ ступени	Частота вращения, об/мин		Отклонения
	табличная (nт)	действительная (nд)	абсолютное ∆n = nд – nт	относительное ∆n/ nт, %
1	31,5	31,4	-0,1	0,32
2	35,5	35,2	-0,3	0,85
3	40	40,35	0,35	0,86
4	45	45,25	0,25	0,56
5	50	50,48	0,48	1
6	56	56,6	0,6	1,07
7	63	63,36	0,36	0,6
8	71	71,67	0,67	0,94
9	80	79,7	-0,3	0,4
10	90	89,6	-0,4	0,4
11	100	101,1	1,1	1,1
12	112	113,1	1,1	1
13	125	124,6	-0,4	0,3
14	140	140,5	0,5	0,4
15	160	161,7	1,7	1,1
16	180	178,1	1,9	1,06
17	200	202,1	2,1	1,05
18	224	223,1	-0,9	0,4
19	250	252,2	2,2	0,9
20	280	281,3	1,3	0,5
21	315	312,8	-2,2	0,7
22	355	352	-3	0,9
23	400	403,7	3,7	0,93
24	450	454,4	4,4	0,98

Во всех случаях величина отклонения не превышает предельно допустимой величины ∆_max = ± 1,2 %.

Выполняем кинематическую схему коробки (рис.3).

Рис.3 – Кинематическая схема коробки скоростей.

4 Силовой расчет коробки скоростей.

4.1 Определяем КПД привода (стр.344[5]):

,

где а, b – число зубчатых передач, находящихся в зацеплении, число пар подшипников;

, – средние значения КПД зубчатых передач и подшипников.

; ;

а = 4 – в зацеплении одновременно находятся 4 зубчатых пары;

b = 5 – количество пар подшипников (5 валов – 5 пар подшипников).

.

Требуемая мощность электродвигателя:

кВт.

Выбираем электродвигатель: закрытый обдуваемый асинхронный фланцевого исполнения IM3081 типа 4А160М6 с синхронной частотой вращения n_с = 1000 об/мин, мощностью N_дв = 15 кВт. Габаритные и присоединительные размеры – табл.24.9[14], стр.379.

4.2 Определяем расчетную частоту вращения каждого вала.

В коробках скоростей универсальных станков в качестве расчетного числа оборотов берут не по n_min, а расчетную, определяемую по формуле (стр.119[4]):

, где R_n – диапазон регулирования.

об/мин.

Тогда по графику чисел оборотов (рис.2) частота вращения каждого вала составит:

n_I = 570 об/мин n_IV = 125 об/мин

n_II = 450 об/мин n_V = 100 об/мин

n_III = 315 об/мин

4.3 Определяем мощность на каждом валу по формуле:

,

где – КПД передач (подшипников ,зубчатых передач ).

кВт;

кВт;

кВт;

кВт;

кВт.

4.4 Определяем крутящие моменты на каждом валу по формуле (стр.273[6]):

.

Н·м;

Н·м;

Н·м;

Н·м;

Н·м;

4.5 Определяем модуль зубчатых зацеплений.

В коробках скоростей размер шестерен определяется контактными напряжениями, т. е. усталостью поверхностных слоев. Поэтому определяем модуль m_пов, а не межосевое расстояние и проверяем на изгиб по формулам (стр.150[7]):

, см;

, см,

где σ_пов и σ_изг – допускаемые напряжения по усталости поверхностных слоев и на изгиб, Н/см².

Для легированных цементируемых сталей (стр.152[7]) σ_пов = (1750...2100) HRC, где HRC – твердость цементируемых сталей: HRC = 56...62 (стр.194[6]);

σ_пов = 2000 · 60 = 120000 Н/см²;

σ_изг = 800 Н/мм² = 80000 Н/см² (стр.194[6]);

N – номинальная передаваемая мощность рассчитываемой шестерни, кВт;

n – минимальное число оборотов шестерни, при котором передается полная мощность, об/мин;

у – коэффициент формы зуба (при z = 20...60 у = 0,243...0,268);

z – число зубьев шестерни;

i – передаточное число;

ψ = 6;

ψ₀ = 1,2;

К = К_д · К_к · К_р = 1 · 1,3 · 1 = 1,3.

Для валов I – II – колеса z₁ и z₂ с , N_I = 14,726 кВт, n_I = 470 об/мин:

= 0,14 см = 1,4 мм,

= 0,24 см = 2,4 мм.

Для валов II – III – колеса z₅ и z₆ с i = 2,49, N_II = 14,506 кВт, n_II = 450 об/мин:

= 0,28 см = 2,8 мм,

= 0,33 см = 3,3 мм.

Для валов III – IV – колеса z₁₁ и z₁₂ с i = 1,75, N_III = 14,280 кВт, n_III = 315 об/мин:

= 0,31 см = 3,1 мм,

= 0,36 см = 3,6 мм.

Для валов IV – V – колеса z₁₃ и z₁₄ с i = 1,23, N_IV = 14,070 кВт, n_IV = 120 об/мин:

= 0,35 см = 3,5 мм,

= 0,46 см = 4,6 мм.

Полученные значения округляем до стандартных:

m_IV–V = 4,5 мм; m_III–IV = 3,5 мм; m_II–III = 3,5 мм; m_I–II = 2,5 мм.

5 Расчет элементов коробки скоростей.

5.1 Расчет геометрических параметров зубчатых колес.

По формулам (стр.175[6], табл.3):

1) делительный диаметр ;

2) диаметр вершин зубьев ;

3) диаметр впадин зубьев ;

4) межосевое расстояние .

Данные заносим в табл.3

Ширина венцов колес (стр.151[7]): , откуда b = 6m, тогда для m = 2,5: b = 6·2,5 = 15 мм;

m = 3,5: b = 6·3,5 = 21 мм;

m = 4,5: b = 6·4,5 = 27 мм.

Степень точности колес определяется в зависимости от назначения (стр.373, табл.22[5]). Для силовых кинематических целей (коробок скоростей) со скоростью (линейной) V ≤ 10 м/с – 7-я степень точности.

Выполняем предварительную эскизную компоновку коробки по рекомендациям на стр.189[8].

Таблица 3

in	№ колеса	z	m, мм	d, мм	da, мм	df, мм	aw, мм
i0	1	19	2,5	47,5	52,5	41,25	51,25
	2	22		55	60	48,75
i1	3	39	3,5	136,5	143,5	127,75	238
	4	97		339,5	346,5	330,75
i2	5	19		66,5	73,5	57,75
	6	117		409,5	416,5	400,75
i3	7	68		238	245	229,25
	8	68		238	245	229,25
i4	9	26		91	98	82,25	96,25
	10	29		101,5	108,5	92,75
i5	11	20		70	77	61,25
	12	35		122,5	129,5	113,75
i6	13	26	4,5	117	126	105,75	117
	14	26		117	126	107,75
i7	15	25		112,5	221,5	101,25
	16	27		121,5	221,5	110,25
i8	17	23		103,5	112,5	92,25
	18	29		130,5	139,5	119,25
i9	19	20		90	99	78,75
	20	32		144	153	132,75