Токарно-винторезный станок модели 16К20Т1

Дипломная работа

Токарно-винторезный станок модели 16К20Т1

линейное перемещение резцедержатель токарный станок

1. Выбор и обоснование исходных данных

1.1 Назначение и краткая техническая характеристика станка базовой модели 16К20Т1

1.2 Основные недостатки конструкции базовой модели станка и пути их устранения.

2. Технологическая часть

2.1 Анализ характеристик обрабатываемых деталей

2.2 Технологические расчеты

2.2.1 Расчет припусков на обработку

2.2.2 Расчет режимов резания

3. Конструкторская часть

3.1 Описание конструкции основных узлов станка

3.1.1 Механизм главного движения

3.1.2 Патрон с электромеханическим приводом

3.1.3 Основание станка

3.1.4 Станина станка

3.1.5 Приводы продольного и поперечного перемещений

3.1.6 Револьверная головка

3.2. Описание конструкции датчиков линейных перемещений ЛИР-8

3.3 Описание устройства ЧПУ NC-200.

3.4 Конструкторские расчеты

3.4.1 Кинематический расчет привода главного движения

3.4.2 Расчет поликлиновой ременной передачи

3.4.3 Силовой и прочностной расчеты коробки скоростей

3.4.4 Расчёт шпинделя на жёсткость

3.4.5 Расчёт подшипников

3.4.6 Расчёт тягового усилия привода продольной подачи

3.4.7 Выбор электродвигателя и определение мощности привода продольных подач

3.4.8 Расчёт передачи винт-гайка качения привода продольной подачи

3.4.9 Выбор двигателя и определение мощности привода вращения осевого инструмента револьверной головки

4. Исследовательская часть

4.1. Исследование жесткости токарных станков с ЧПУ

4.2Расчеты по проектированию конструкции гибкого резцедержателя

5. Организационно — экономическая часть

5.1 Технико-экономическая эффективность внедрения нового технологического оборудования

5.2 Расчёт оптовой цены токарно — винторезного станка с ЧПУ

5.2.1 Расчёт затрат на основные материалы.

5.2.2 Расчёт трудоёмкости, основной и дополнительной заработной платы с отчислениями на социальное страхование.

5.2.3 Расчёт себестоимости и оптовой цены проектируемого токарно-винторезного станка.

5.2.4. Расчёт экономического эффекта токарно-винторезного станка с ЧПУ

6. Промышленная экология и безопасность

6.1 Обеспечение безопасности труда при эксплуатации токарно-винторезного станка с ЧПУ модели 16К20Т1

6.1.1 Характеристика опасных и вредных производственных факторов

6.1.2 Расчет заземления

6.2 Экологическая безопасность при эксплуатации станка

6.2.1 Расчет массы металлических отходов при изготовлении комплексной детали

7. Эргономика и техническая эстетика

7.1 Обеспечение эргономических требований к рабочему месту оператора

Перечень использованной литературы

В дипломном проекте рассмотрен токарно-винторезный станок модели 16К20Т1.

Проект состоит из 5 частей: технологической, конструкторской, исследовательской, организационно-экономической, промышленная экология и безопасность.

В технологической части проведен анализ характеристик обрабатываемых деталей, технологический расчет, расчет припусков на обработку.

В конструкторской части представлено описание конструкции основных узлов, описание конструкции датчиков линейных перемещений ЛИР-8,описание устройства ЧПУ, проведены конструкторские расчеты.

Целью исследовательской части является разработка исходных данных на проектирование гибкого резцедержателя применительно к адаптивной системе управления модернизируемого станка.

В организационно-экономической части представлено: технико-экономическая эффективность внедрения нового технологического оборудования, расчет оптовой цены токарно-винторезного станка с ЧПУ, расчет затрат на основные материалы, расчет трудоемкости, основной и дополнительной заработной платы с отчислениями на социальное страхование, расчет себестоимости и оптовой цены проектируемого токарно-винторезного станка, расчет экономического эффекта токарно-винторезного станка с ЧПУ. В разделе промышленная экология и безопасность рассмотрено: обеспечение безопасности труда при эксплуатации токарно-винторезного станка с ЧПУ, характеристика опасных и вредных производственных факторов, расчет заземления, экологическая безопасность при эксплуатации станка, расчет массы металлических отходов при изготовлении комплексной детали.

1. Выбор и обоснование исходных данных

1.1 Назначение и краткая техническая характеристика станка базовой модели 16К20Т1

Токарный станок с ЧПУ, разработанный на базе токарного станка с ЧПУ повышенной точности модели 16К20Т1, предназначен для токарной обработки деталей типа тел вращения по программе, вводимой вручную или записанной на жёстком диске. На этом станке можно выполнять обработку деталей со ступенчатым и криволинейным профилем, в том числе и нарезание резьб. Детали, обрабатываемые на данном станке, изготавливают из легированной, износостойкой, жаропрочной и жаростойкой сталей, поэтому станок должен обладать высокой жесткостью. Широкий диапазон частот вращения шпинделя и скоростей подач с бесступенчатым регулированием позволяет обрабатывать детали из чугуна, стали, алюминия и других металлов и сплавов. Программное управление станка позволяет обрабатывать детали очень сложного профиля с большим количеством переходов в автоматическом режиме, что является экономически выгодно для серийного, мелкосерийного и единичного производства.

Таблица 1.

Характеристика системы ЧПУ Таблица 2

1.2 Основные недостатки конструкции базовой модели станка и пути их устранения

Основными недостатками конструкции базовой модели станка являются следующие: технологические возможности станка не позволяют получать готовые детали сложного профиля за один установ; резьбонарезной датчик, который позволяет нарезать только крепежную резьбу на станке; устаревшие ДОС привода продольной и поперечной подачи; устаревшая СЧПУ; недостаточно широкий диапазон частот вращения шпинделя; сложная конструкция коробки скоростей.

Указанные недостатки устранены в новой модели путём внесения следующих конструкторских изменений.

Вместо отечественного общепромышленного асинхронного двигателя серии 4А использован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (фирмы SIЕMENS) серии 1PH7. Этот двигатель дороже, но он обладает рядом существенных преимуществ, это — высокие частоты вращения, большие крутящий момент и мощность. Это позволило применить комбинированный бесступенчатый привод и расширить диапазон частот вращения шпинделя. В результате было уменьшено число зубчатых передач, и, соответственно, габариты коробки скоростей, её металлоёмкость и т. д. Всё это позволило существенно упростить конструкцию коробки скоростей.

В приводе главного движения используется датчик обратной связи ЛИР — 190А, служащий для контроля нарезания однозаходной и многозаходной резьбы на станке.

В качестве датчика обратной связи в приводах продольного и поперечного перемещения применен оптоэлектронный датчик линейных перемещений ЛИР-8. Это линейная оптическая измерительная система, которая предназначена для преобразования линейных перемещений рабочих органов станков в электрические сигналы, содержащие информацию о величине и направлении этих перемещений. Она имеет существенные преимущества: нечувствительна к загрязнению, требует менее точного регулирования расстояния между головкой считывания и линейкой, а также в ней отсутствуют наводящие электромагнитные поля.

Поэтому в приводах продольного и поперечного перемещения устанавливаем оптоэлектронные датчики линейных перемещений ЛИР-8 (изготовитель СКБ ИС г. Санкт-Петербург). Эти датчики являются полным аналогом датчиков LS403 фирмы HEIDENHAIN, но при этом их цена не превышает 30% цены импортного аналога. Характеристика ЛИР-8: Длина измерения до 320 мм; габариты поперечного сечения 49×20 мм; точность ±3 мкм/м.

Револьверная головка, используемая в данном проекте, выполнена конструктивно по образцу револьверной головки фирмы «TRAUB». Особенность данной головки и ее преимущество перед головкой, установленной на базовом станке заключается в том, что установлен дополнительный привод на осевой инструмент. Вращение РГ производится автоматически по команде УЧПУ, т. е. имеет место автоматическая смена инструмента.

В станке также заменена система программного управления. Конструктивно устройство выполнено в виде шкафа и разделено на блоки. Пульт управления выполнен в виде целого блока и крепится на стойке, которая может поворачиваться в заданное положение.

2. Технологическая часть

2.1 Анализ характеристик обрабатываемых деталей

Модернизированный токарно-винторезный станок 16К20Т1 является станком повышенной точности и предназначен для токарной обработки деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем (втулки, диски, кольца, катушки, зубчатые колеса и т. д.), наружной поверхности, комбинированной из цилиндрических, конических и криволинейных поверхностей в сочетании с наружной и внутренней резьбой, пазами, лысками, гранями, с дополнительными отверстиями, расположенными эксцентрично к оси вращения шпинделя.

Управление станком осуществляется от программы, вводимой в управляющую систему с пульта оперативного управления или с устройства внешней памяти.

На станке могут обрабатываться заготовки, полученные при помощи проката, штамповки, литья и другие штучные заготовки.

Параметры заготовок должны быть следующими: наибольший рекомендуемый диаметр обработки составляет 220 мм; рекомендуемая наибольшая длина заготовки не должна превышать 905 мм. На рис. 2.1 представлен классификатор обрабатываемых деталей с указанием предельных размеров, которые способен обработать данный станок.

Заготовки закрепляют в трехкулачковом патроне, поэтому установочными базами служат торец детали (лишает 2 — х степеней свободы) и цилиндрическая поверхность (лишает 3 — х степеней свободы), а также силовое замыкание (усилие зажима кулачков), которое лишает 1 — ой степени свободы.

Рис. 2.1. Классификатор обрабатываемых деталей.

Рекомендуемые режимы резания для обработки различных материалов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Для обработки заготовок на станке применяются различные виды инструментов: резцы (проходные, подрезные, отрезные), сверла, зенкеры, фрезы и др.

Материалы режущей части также различны и зависят от обрабатываемого материала. Рекомендуемые марки твердого сплава при различных видах обработки приведены в таблице 2.2.

Твердые сплавы в виде пластин соединяют с державкой резца с помощью пайки или специальных высокотемпературных клеев.

Многогранные твердосплавные пластины закрепляют прихватами, винтами, клиньями и т. д.

Таблица 2.2.

Металлорежущие инструменты изнашиваются по передней и задней поверхности. На размерный износ влияют материал режущей части инструмента, конструкция, геометрия и состояние лезвия, режимы обработки, жесткость системы и многие другие факторы. Значения относительного износа резцов при чистовом точении указаны в таблице 2.3.

Таблица2.3.

2.2 Технологические расчеты

Технологические расчеты выполнены на основе процесса обработки детали, взятой из классификатора ЕСКД. Данная деталь представляет собой вал с внутренней резьбой, отверстием, эксцентрично расположенным на фланце, а также с участок фасонной поверхности (рис. 2.2). Её обработка на станке раскрывает возможности проектируемого токарного станка. Для получения готовой детали на станке производятся точение цилиндрической и фасонной поверхностей, сверление отверстия, нарезание внутренней и наружной резьб метчиком. Обработка производится на одном станке за два установа, что повышает точность готовой детали и сокращает время обработки.

Исходной заготовкой является штамповка, полученная в закрытом штампе на кривошипном горячештамповочном прессе с усилием 6,3 — 100 МН.

Рис. 2.2. Обрабатываемая деталь.

Припуски для получения заготовок такого типа размера (50 — 125 мм в длину) находятся в интервале от 0,5 до 3,0 мм (детали до 10 кг), поле допусков соответственно 0,6 мм до 4,2 мм.

2.2.1 Расчет припусков на обработку.

Рассчитаем для примера припуск на один размер (70 мм), а на остальные размеры назначим припуски по таблице 22 (4, стр.143). Допуски назначим по таблице 23 (4, 147).

Минимальный припуск на обработку такого диаметра вычисляем по формуле:

где

— высота неровности профиля на предыдущем переходе (на штамповке);

— глубина дефектного поверхностного слоя на предыдущем переходе (на штамповке); - суммарные отклонения расположения поверхности и в некоторых случаях отклонения формы поверхности штамповки; - погрешность установки заготовки на черновом переходе.

=160 мкм; =200 мкм по таблице 12 (4, стр. 186)

=200 мкм (0,2 мм) — погрешность установки на черновой операции по таблице 10 (4, стр.184);

рассчитаем по формуле:, где

— общее отклонение оси от прямолинейности, которое считают по формуле:, где — отклонение оси детали от прямолинейности, мкм на 1 мм (далее кривизна);

=0,75 мкм по таблице 16 (4, 186); l=48 мм — длина поверхности с 70 мм;

— смещение оси заготовки в результате погрешности центрирования;

где — допуск на диаметральный размер базы заготовки;

= 2,5 мм таблица 13 (4, стр. 184), тогда

;

Суммарное отклонение:

Минимальный припуск на обработку:

Рассчитаем минимальный припуск на чистовую операцию по формуле:

где

— высота неровности профиля после черновой операции;

— глубина дефектного поверхностного слоя после черновой операции;

— погрешность установки заготовки на чистовом переходе;

— остаточное отклонение расположения после черновой обработки, которое рассчитывается по формуле, где

W — податливость технологической системы:

W_ст. — податливость станка: по таблице 12 (4, стр. 29);

W_заг. — податливость заготовки вала: — таблица 15 (4, стр.

31).

Тогда получаем:

С_у, у, n, x — коэффициенты, характеризующие условия резания;

С_у = 0,27; у = 0,75; n = 2; х = 0,9 по таблице 45 (5, стр. 234).

S — подача на черновом переходе: S = 2 мм/об;

НRC = 65 — твердость материала заготовки;

— исходное отклонение заготовки:

t — глубина резания на черновом переходе;

Приняв припуск по диаметру на черновую обработку 2,2 мм, получим глубину резания t = 1,1 мм и, следовательно, Тогда припуск на чистовую операцию:

Общий припуск на обработку:

Рассчитаем максимальный припуск на каждый переход по формуле:

где TD_i-1 — допуск на предыдущий переход, а TD_i — допуск на данный переход.

По таблице 44 (4, стр.67) назначаем:

TD_заг.=620 мкм; TD_черн. =160 мкм; TD_чист. =25 мкм.

Тогда:

2.2.2 Расчет режимов резания

Исходные данные: материал заготовки — высокопрочная сталь 43Х3СНМВФА с временным сопротивлением у_в=2000 МПа; чертеж заготовки; чертеж детали.

Операция 005 — токарная

1) Сверление отверстия 21 мм

Подачу S назначаем по таблице 26 (4, стр. 277): S = 0,15 мм/об.

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где Стойкость сверла: Т = 30 мин;

= 7,0; m = 0,20; y = 0,7; q = 0,4 (таблица 28 (5, с. 278));

;

Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя: .

2) Прорезание внутренней канавки с 21 мм до 24 мм .

Подача: S = 0,16 мм/об, глубина резания t = 1,5 мм.

Скорость резания равна: где

=420; m=0,2; x=0,15; y=0,2 (таблица 29 (5, стр. 279));

Т = 30 мин; ;

(м/мин) Тогда частота вращения шпинделя:

3) Нарезание резьбы М241,5.

Нарезание резьбы М241,5.

Подача S равна шагу Р: S = Р = 1, 5 мм/об;

Число рабочих ходов реза: i = i_черн. + i_чист., где i_черн. — число черновых ходов

i_чист. — число чистовых ходов.

i_черн. =3; i_чист. =2 (таблица 46 (5, стр. 294));

i = i_черн. + i_чист.=3 + 2 = 5;

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где — коэффициент, учитывающий способ нарезания резьбы: = 0,75; = 0,68; =1 по таблице 55 (5, стр. 302);

=244; m=0,2; y=0,3; х=0,23 (таблица 49 (4, стр. 296));

Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

4) Точение фаски 1,545:

Для удобства фаску будем точить на тех же оборотах, т. е., тогда скорость резания равна:

5) Точение торца с d = 24 мм до D = 28 мм:

Назначим глубину резания исходя из условий точности размеров и шероховатости поверхности и припуска: t = 0,5 мм.

Подачу S назначаем по таблице 49 (5, стр. 252): S = 0,2 мм/об.

Скорость резания рассчитываем по эмпирической формуле:

где

— коэффициент, зависящий от вида обработки;

T — стойкость инструмента: Т = 30 мин;

m, x, y — показатели степеней при стойкости, глубине резания и подаче соответственно;

— поправочный коэффициент, равный где

— коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала:

— для сталей;

Здесь — коэффициент, характеризующий группу стали: =0,9 (таблица 2 (5, стр. 262)).

n_v — показатель степени: n_v =1,0 (таблица 2 (4, стр. 262))

Тогда ;

— коэффициент, отражающий поверхностное состояние заготовки: =1,0 (таблица 5 (5, стр. 263));

— коэффициент, учитывающий качество материала инструмента: =1,15 (таблица 5 (5, стр. 263));

Подставив эти значения получим: ;

=420, m=0,2, x=0,15, y=0,2 (таблица 17 (5, стр. 269));

— поправочный коэффициент, зависящий от разности диаметров при торцовом точении: при

Рассчитаем скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

6) Точение конуса с 28 по 36 мм:

Назначим глубину резания исходя из условий точности размеров и шероховатости поверхности: t = 0,5 мм. Подачу S назначаем по таблице 14 (4, стр. 268) для чистового точения наружных поверхностей: S = 0,16 мм/об.

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

Рассчитаем скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

7) Точение 36 мм:

Назначим глубину резания исходя из условий точности размеров и шероховатости поверхности: t = 0,5 мм.

Подачу S назначаем по таблице 14 (4, стр. 268): S = 0,15 мм/об.

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

Рассчитаем скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

8) Точение торца с d = 36 мм до D = 70 мм:

Назначим глубину резания и подачу: t = 0,5 мм, S = 0,25 мм/об;

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где

— поправочный коэффициент, зависящий от разности диаметров при торцовом точении: при

Тогда частота вращения шпинделя:

.

9) Точение 70 мм:

Назначим глубину резания и подачу: t = 0,3 мм, S = 0,2 мм/об;

Рассчитаем скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

Рассчитаем основное операционное время Т_о:

Путь резания равен 16 мм.

10) Точение торца с d = 40 мм до D = 74 мм:

Назначим глубину резания и подачу: t = 0,3 мм, S = 0,25 мм/об;

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где

— поправочный коэффициент, зависящий от разности диаметров при торцовом точении: при

Тогда частота вращения шпинделя:

.

11) Точение сферической поверхности:

Назначим глубину резания и подачу: t = 0,5 мм, S = 0,2 мм/об;

Рассчитаем скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

12) Точение 35 мм:

Назначим глубину резания и подачу: t = 0,5 мм, S = 0,2 мм/об;

Рассчитаем скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

13) Точение торца с d = 36 мм до D = 70 мм:

Назначим глубину резания и подачу: t = 0,5 мм, S = 0,25 мм/об;

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где

— поправочный коэффициент, зависящий от разности диаметров при торцовом точении: при

14) Прорезание наружной канавки

t=4;

S = 0,16 мм/об;

Скорость резания равна: где

=420; m=0,2; x=0,15; y=0,2 (таблица 29 (5, стр. 279));

Т = 30 мин; ;

(м/мин)

Тогда частота вращения шпинделя:.

15) Прорезание наружной канавки

t=1.5;

s=0,16;

Скорость резания равна: где

=420; m=0,2; x=0,15; y=0,2 (таблица 29 (5, стр. 279));

Т = 30 мин; ;

(м/мин) Тогда частота вращения шпинделя:.

16) Сверление отверстия 8 мм:

Подачу S назначаем по таблице 26 (4, стр. 277): S = 0,15 мм/об. Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где Стойкость сверла: Т = 30 мин;

= 7,0; m = 0,20; y = 0,7; q = 0,4 (таблица 28 (4, с. 278));

; Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя: .

17) Сверление отверстия 30 мм

Подачу S назначаем по таблице 26 (4, стр. 277): S = 0,15 мм/об.

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где Стойкость сверла: Т = 30 мин;

= 7,0; m = 0,20; y = 0,7; q = 0,4 (таблица 28 (5, с. 278));

;

Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя: .

18) Сверление отверстия 7 мм:

Подачу S назначаем по таблице 26 (4, стр. 277) для сверления: S = 0,15 мм/об. Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где Стойкость сверла: Т = 30 мин;

= 7,0; m = 0,20; y = 0,7; q = 0,4 (таблица 28 (5, с. 278));

;

Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя: .

19) Нарезание резьбы М81,5.

Подача S равна шагу Р: S = Р = 1, 5 мм/об;

Число рабочих ходов реза: i = i_черн. + i_чист., где i_черн. — число черновых ходов, а

i_чист. — число чистовых ходов.

i_черн. =3; i_чист. =2 (таблица 46 (4, стр. 294));

i = i_черн. + i_чист.=3 + 2 = 5;

Скорость резания рассчитывается по эмпирической формуле:

где — коэффициент, учитывающий способ нарезания резьбы: = 0,75; = 0,68; =1 по таблице 55 (5, стр. 302);

=244; m=0,2; y=0,3; х=0,23 (таблица 49 (5, стр. 296));

Скорость резания:

Тогда частота вращения шпинделя:

.

3. Конструкторская часть

3.1 Описание конструкции основных узлов станка

3.1.1 Механизм главного движения

Показан на листе ДП. М4.151 002.05.005 СБ.

На станке установлена шпиндельная бабка, обеспечивающая два диапазона скоростей вращения

I диапазон включает частоты вращения 20…315 мин^-1, II диапазон — 160.2500 мин^-1.

В пределах каждого диапазона изменение чисел оборотов бесступенчатое.

В качестве электродвигателя главного движения, обеспечивающего вращение шпинделя, выбран асинхронный частотно-регулируемый электродвигатель с короткозамкнутым ротором фирмы SIЕMENS мощностью 11 кВт.

Передача вращения от электродвигателя на вал шпиндельной бабки осуществляется поликлиновым ремнем 2240Л20.

Смазка шпиндельной бабки осуществляется от станции смазки, смонтированной на основании станка.

3.1.2 Патрон с электромеханическим приводом

Показан на листе ДП. М4.151 002.05.006 СБ.

Передняя опора шпинделя поз. 26 представляет собой двухрядный радиально-упорный роликоподшипник с коническими роликами, а задняя опора поз. 25 — однорядный радиально-упорный роликоподшипник с коническими роликами.

Зажим и разжим заготовки производится от электромеханического привода, передающего вращение через тягу (поз. 4) на зубчатое колесо (поз. 5), поворот которого приводит к смещению косозубой рейки (поз. 6), находящейся в зацеплении с кулачками патрона (поз. 7). В зависимости от направления вращения привода кулачки перемещаются вниз (зажим заготовки) или вверх (разжим заготовки).

В задней части шпинделя закреплена шестерня (поз. 14), вращение от которой передается на оптоэлектрический датчик круговых перемещений ЛИР — 190А, служащий для согласования вращения шпинделя и перемещения резца при нарезании резьбы. Он осуществляют преобразование измеряемого перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений для последующей обработки в системах ЧПУ.

Датчик с основными характеристиками и размерами показан на рисунке 8.

Рис. 3.1. Датчик круговых перемещений ЛИР — 190А.

3.1.3 Основание станка

Основание станка представляет собой жесткую отливку, на которой устанавливаются станина, электродвигатель главного движения, станции смазки направляющих каретки шпиндельной бабки, насос подачи СОЖ. Средняя часть основания служит сборником для стружки и СОЖ, отсек в нижней правой части основания — резервуаром СОЖ.

3.1.4 Станина станка

Станина станка имеет коробчатую форму с поперечными ребрами П — образного профиля, закаленные шлифованные направляющие. На станине устанавливаются шпиндельная бабка, каретка, привод продольной подачи, задняя бабка. Для базирования каретки на станине передняя направляющая имеет форму неравнобокой призмы, задняя направляющая — плоская. Задняя бабка базируется на станине по малой задней призматической направляющей и по плоскости — на передней направляющей.

3.1.5 Приводы продольного и поперечного перемещений

Показаны на листах ДП. М4.151 002.05.007 СБ и ДП. М4.151 002.05.008 СБ.

Перемещение суппорта обеспечивают приводы продольных и поперечных подач, состоящий из высокомоментного двигателя ПБВ132М (поз. 1), муфты сильфонного типа (поз. 2) и винтовой пары качения. Профиль гайки идентичен профилю резьбы винта. В канавках винта и гайки расположены шарики, которые вращаются и перемещаются вдоль канала. ШВП обладает высокой жесткостью, достаточной, а также малым трением, отсутствием зазоров и возможностью создания предварительного натяга.

3.1.6 Револьверная головка

Револьверная головка представлена двумя листами.

На листе ДП. М4.151 002.05.009 СБ показан механизм вращения осевого инструмента.

Приводится в действие только инструмент, находящийся в рабочей позиции.

Привод осуществляется от трехфазного асинхронного двигателя серии фирмы 1РH7103 — F-0 «SIEMENS» номинальной мощностью 4 кВт через передачу зубчатым ремнем, карданную передачу и шестеренчатый привод на ведущую шестерню и оттуда на инструмент.

При включении револьверной головки привод должен быть отключен. Привод включается гидравлически путем перемещения зубчатого колеса 17 на шлицы вала инструментов 18. Контроль осуществляется бесконтактным выключателем.

На листе ДП. М4.151 002.05.010СБ показан механизм

переключения (поворота) револьверной головки.

Поворот резцедержателя осуществляется по команде программы управления станка.

Перед поворотом инструментальный суппорт гидравлически деблокируется.

Гидравлический шаговый двигатель через карданную и зубчатую передачи устанавливает инструментальный диск в требуемое положение.

Правильный выбор позиции контролируется кодирующим устройством. Бесконтактный выключатель сигнализирует об окончании поворота на определенный угол. Поворот револьверной головки на определенный угол в торцовых зубьях поз. 9 и 10 осуществляется гидравлически.

3.2 Описание конструкции датчиков линейных перемещений ЛИР-8

В конструкцию датчика входит стеклянная линейка с штриховой шкалой, дискретностью шага 20 мкм. Шкала выполнена в виде светонепроницаемых штрихов и прозрачных межштриховых пробелов одинаковой ширины. В общий комплект считывающей головки входят источник света, конденсатор, выпрямляющий свет в параллельном направлении, а также ползунок со сканирующим растром и кремниевыми фотоэлементами.

Технические характеристики ЛИР-8[15,109].

В основе данной системы измерения линейных размеров лежит фотоэлектрический принцип считывания штрихов шкалы линейки (рис. 3.2.).

Рис. 3.2. Конструкция оптической линейки При перемещении линейки относительно считывающей головки проходящие световые лучи попадают в отверстие растровой линейки и после усиления оптической системой улавливаются фотодиодами, в которых световой поток преобразуется в электрический сигнал. Поскольку отверстия растровой линейки для каждой пары фотодиодов смещены на ј А периода, электрические выходные сигналы при взаимном перемещении линеек сдвинуты по фазе на соответствующую величину. Синусоидальные выходные сигналы в раздельных электронных блоках подвергаются интерполяции и преобразованию в цифровую форму, а затем передаются к системе ЧПУ.

3.3 Описание устройства ЧПУ NC-200

Общие сведения

УЧПУ NC-200 предназначено для комплектования металлообрабатывающего оборудования фрезерно-сверлильно-расточной и токарно-карусельно-револьверной групп. Устройство ЧПУ представляет собой малогабаритное, моноблочное устройство, в котором соединены в единое целое: блок управления, пульт оператора и станочный пульт. Устройство предназначено для управления станками с количеством осей не более 4-х и дискретными входами/выходами не более 64/48. Заложенный принцип компактности сделал возможным получение в устройстве высокой надежности и низкой цены. Программное обеспечение предоставляет возможность использовать множество постоянных циклов, позволяющих эффективно решать задачи программирования типовых движений, экономя при этом время на расчеты десятков кадров и объем памяти.

Данное УЧПУ характерно следующими особенными функциями:

управление ускорением/замедлением — для улучшения динамических характеристик управления системой УЧПУ-СТАНОК дополнительно к уже существующему линейному закону введены S-образный и экспоненциальный законы разгона/торможения;

объемная защищенная зона — задание объемной защищенной зоны позволяет определить часть пространства, где перемещения запрещены;

контролируемые зоны для каждой оси — задание контролируемых зон позволяет определить для программы логики станка конкретное местоположение (зону размещения) оси;

компенсация дрейфа приводов — функция компенсации дрейфа приводов действительна для всех интерполируемых осей, данная функция выполняется одновременно для всех осей;

функция контроля расстояния, пройденного осью — эти параметры предназначены для контроля расстояния, пройденного осью;

вывод ошибки кругового контура — вывод ошибки кругового контура осуществляется в режиме осциллографа в реальном времени при выполнении кадра круговой интерполяции;

компенсация трения — при переходе из квадранта в квадрант по круговому контуру оси имеют точки смены направления движения, в этих точках скорость движения оси равна нулю и дальнейшее ее движение потребует преодоления силы трения покоя в механизмах станка (в редукторах, в направляющих осей), что приведет в этот момент к увеличению ошибки; правильно подобранная компенсация силы трения покоя уменьшит эту ошибку и улучшит точность кругового контура; подбор параметров для компенсации трения выполняется с помощью осциллографирования ошибки кругового контура при выполнении кадра круговой интерполяции; это осуществляется в режиме осциллографа;

сплайновая интерполяция — сплайновая интерполяция применяется, чтобы соединить заданную последовательность отдельных точек в гладкий непрерывный контур, реализован С-сплайн; С-сплайн обеспечивает гладкий контур с точным прохождением через все точки сплайна, с непрерывной кривизной и возможностью задания условий на его краях.

Технические характеристики УЧПУ

Число управляемых координат (со шпинделем) — 5

Число каналов датчика перемещений- 4

Число выходных аналоговых каналов ЦАП- 5

Число каналов электронного штурвала- 1

Число каналов датчика касания- 1

Число дискретных каналов входа/выхода- 32/24; 64/48

Емкость памяти:

— ОЗУ (DRAM) — 4−8 Мб

— ЗУ (Flash Disk) — 2−8 Мб Интерфейс FDD- 3,5″; 1,44 Мб Последовательный канал связиRS-232.

Видеомонитор:

— дисплей — TFT 10.4″

— разрешающая способность — 640×480

— цветность — 256 цветов Алфавитно-цифровая клавиатура- 101 клавиша Номинальное напряжение питания- ~220 В, 50 Гц Потребляемая мощность (без периферии) — 45 ВА, не более Потребляемый ток (без периферии) — 275 мА, не более Степень защиты оболочкой:

— лицевая панель — IP54

— корпус — IP20

Габаритные размеры- 432×340×160 мм Масса- 9 кг, не более Температура окружающей среды при работе- 5…45°С хранении- 5…50°С Относительная влажность воздуха при работе- 40…95%

хранении — не более 80%.

Состав УЧПУ

УЧПУ состоит из следующих основных модулей: блок питания, модуль центрального процессора, модуль ЦАП-Энкодер, модуль дискретных входов-выходов, пульт оператора, внешнего модуля дискретных входов-выходов с релейной коммутацией и индикацией

3.4 Конструкторские расчеты

3.4.1 Кинематический расчет привода главного движения

Произведем выбор электродвигателя исходя из технологических возможностей проектируемого станка.

Наибольший диаметр обработки деталей d_max=400 мм.

Наименьший диаметр обработки деталей d_min=5 мм.

Предельные частоты вращения шпинделя:

— для обработки легкообрабатываемых материалов

— для обработки труднообрабатываемых материалов В качестве труднообрабатываемых материалов выбираем высокопрочную сталь (_в?1600 МПа) 43ХСНМВФА, тип термообработки — закалка, _в=2000 МПа Скорость резания при нарезании резцом метрической резьбы:

V=8,5 м/мин В качестве легкообрабатываемых материалов выбираем алюминиевый сплав Д16, Д16Т, тип термообработки — закалка + старение, _в=360 МПа.

Скорость резания при точении алюминиевых сплавов:

V=250 м/мин.

Вычисляем предельные частоты вращения шпинделя:

мин^-1

мин^-1

Частота вращения n_max=15 923 мин^-1 не осуществима, т.к. ряд технологических критериев не позволит безопасно работать на станке. При высоких частотах значительно увеличиваются величины возникающего дисбаланса, вибраций. Трехкулачковый патрон не даст надежной установки детали. Шпиндельные подшипники не выдержат столь высоких частот.

Полученные значения частот вращения могут быть реализованы лишь теоретически возможной стойкостью режущего инструмента.

Принимаем частоты вращения привода главного движения:

n_max=2500 мин^-1, n_min=6,3 мин^-1

Скорости резания:

V_max=250 мин^-1, V_min=8,5 мин^-1

Проектируем привод главного движения для получения на шпинделе следующих характеристик:

мин^-1, мин^-1.

В токарно — винторезном станке с ЧПУ устанавливаем привод главного движения с бесступенчатым регулированием. Основными достоинствами такого привода являются:

повышение производительности обработки за счет точной настройки оптимальной скорости резания;

возможность плавного изменения скорости резания во время рабочего цикла станка;

простота автоматизации процесса переключения скоростей;

значительное упрощение конструкции и снижение металлоемкости коробки скоростей в сравнении со ступенчатым приводом.

Для бесступенчатого регулирования скорости в основном применяют регулируемые электродвигатели:

1. Электродвигатели постоянного тока с тиристорной системой управления;

2. Асинхронные электродвигатели, регулируемые за счет изменения частоты тока. Выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором 1РН7 131 NF фирмы SIEMENS, технические характеристики которого:

Р_ном=11 кВт,

n_ном=500 мин^-1,

n_max=6700 мин^-1,

М_кр.ном.=70 Н*м Рассчитаем его диапазон регулирования при постоянной мощности:

n_эд.ном и n_эд.max — соответственно номинальная и максимальная частоты вращения электродвигателя.

R_д =13 (т.е. R_д8);

2) Вычислим диапазон регулирования коробки скоростей:

— общий диапазон регулирования привода.

Для данного станка будем применять привод с комбинированным регулированием, для которого до условной расчетной частоты n_р обеспечивается регулирование с постоянным моментом в диапазоне R_m, а выше — регулирование с постоянной мощностью в диапазоне R_р.

мин^-1

или

мин^-1

Принимаем n_р=37 мин^-1 (рис. 10)

Рис. 3.3.

Рассчитаем число m групп передач коробки скоростей:

Значение m можно округлить до 2.

4) Принимаем стандартное значение знаменателя =1,26 и определяем:

Определим число интервалов lg, которые пересекают на графике частот вращения лучи, изображающие передачи группы, а именно:

Однако при =1,26, число интервалов lg, которые пересекают на графике частот вращения лучи, изображающие передачи группы, не может превышать 9 (для выполнения условия). Поэтому принимаем окончательно К_m =9. Оставшиеся три интервала можно получить лишь в результате регулирования электродвигателя в зоне постоянного крутящего момента.

6) Фактические диапазоны регулирования коробки скоростей и привода в целом:

Фактические диапазоны регулирования: R_ф.к. =1,26⁹*5.5=31; R_ф.п. =402.

7) Определим число К₁ интервалов между максимальной частотой вращения шпинделя и максимальной частотой вращения электродвигателя, а также число К₂ интервалов между максимальной и минимальной частотами вращения шпинделя:

К₁ =4.3 и К₂ =26. Принимаем К₁=4 и К₂ =26, тогда К_общ. =К₁ +К₂ =30

По нормали Н11−1 «Нормальные ряды чисел в станкостроении «выбираем стандартный ряд частот вращения (мин^-1): 8000;6300;5000;4000;3150;2500;2000;1600;1250;1000;800;630;500;400;315; 250;200;160;125;100;80;63;50;40;31,5;25;20;16;10;8;6,3 и строим график частот вращения.

Рис. 3.4.

3.4.2 Расчет поликлиновой ременной передачи

Поликлиновой ремень включает в себя несколько рабочих поверхностей треугольной формы, что позволяет равномерно распределять нагрузку между ними и обеспечить постоянство расчетных диаметров шкивов. В этом их основное преимущество перед клиновыми ремнями. Небольшая высота и кордшнур из химического волокна позволяет использовать их на шкивах малого диаметра с передаточным числом до 8 и при скорости до 40 м/с. При равных условиях работы данная передача более компактна, чем с клиновыми ремнями.

Определим сечение ремня.

Определяем момент на быстроходном валу

M = 9740 [Hм],

где N — мощность, передаваемая ремнем, кВт; n₁ — минимальная частота вращения быстроходного вала, мин^-1.

M = 9740 = 134 Hм.

Следовательно, сечение ремня Л. Его параметры:

Рис. 3.5. Ремень поликлиновой

H=9,5 мм;

t=4,8 мм;

h=4,85 мм;

r₁=0,2 мм;

r₂=0,7 мм.

Определяем диметры шкивов.

Пусть диаметр меньшего шкива d₁=200 мм.

Диаметр ведомого d₂=i* d₁=1*200=200 мм. Ближайшее значение из стандартного ряда d₂=200 мм.

Уточняем передаточное значение с учетом относительного скольжения S=0,01.

.

Определяем межосевое расстояние:

a_min=0,55(d₁+ d₂)+Н=0,55(200+200)+9,5=230 мм;

a_max= d₁+ d₂=200+200=400 мм.

Принимаем промежуточное значение a=320 мм.

Определяем расчетную длину ремня:

L_p=

мм Ближайшее стандартное значение L_p=1250 мм.

Уточняем межосевое расстояние:

где — параметры нейтрального слоя.

Определяем угол обхвата малого шкива d₁:

180.

Определяем скорость ремня:

м/с.

Определяем коэффициенты:

угла обхвата ;

режима работы ;

скорости .

Определяем наименьшее межосевое расстояние, необходимое для надевания ремня а_min = а — 0,01L;

а_min = 320 — 0,01· 1250= 307.5 мм.

Определяем наибольшее межосевое расстояние, необходимое для вытяжки ремня а_max = а + 0,02L ;

а_max = 320 + 0,02· 1250 = 345 мм.

Принимаем исходную длину L₀ = 1600 мм и относительную длину L/L₀ = 1,25.

Принимаем коэффициент длины ремня С_L = 0,9+0,1L/L₀=1,025.

Определяем число ребер поликлинового ремня:

z=10F/[F]₁₀;

где:

[F]₁₀ =(F₁₀* где F₁₀ — допускаемая окружная сила для передачи поликлиновым ремнем с десятью ребрами при передаточном отношении i=1,, эталонной длине L₀, работе в одну смену с постоянной нагрузкой.

— слагаемое, учитывающее влияние передаточного отношения.

0Нм.

[F]₁₀ =(1190*0,97*0.98)*0,73=825

Определяем исходную мощность

N₀ = 11 кВт.

Определяем поправку к моменту на передаточное число ДМ = 4 кг· м.

Определяем поправку к мощности ДN = 0,001 ДМ_in₁;

ДN = 0,001· 4·1600

ДN = 6.4 кВт.

Определяем допускаемую мощность [N], кВт

[N] = (N₀C_бC_L + ДN_i)C_p;

[N] = (22· 0,97· 0.98 + 6.4)0,73 = 18кВт.

Определяем число ребер ремня

10N

z = ———;

[N]

z = = 12.2 кВт.

Принимаем количество ребер z=13

Номинальная мощность, передаваемая ремнем:

где — к.п.д. механизма от вала ременной передачи до шпинделя.

Определяем ширину шкива В = (z — l) s + 2*f,

где s — шаг ребер, мм; f — длина свободной части шкива, мм.

В = (13 — 1)4,8 + 2· 5,5 = 68.6 мм.

Определяем окружное усилие, передаваемое ремнем (по номинальной мощности):

где v=4,65 м/с — минимальная рабочая скорость ремня для данного станка.

Натяжение ветвей ремня:

;

Усилие, действующее на вал при работе станка: Q=S₁+S₂=6650+1900=8550 H.

Определим рабочий ресурс рассчитанной поликлиновой передачи:

3.4.3 Силовой и прочностной расчеты коробки скоростей

При определении чисел зубьев необходимо не только получить данное передаточное отношение i₁=z₁:z₂, но и обеспечить постоянную сумму зубьев в пределах 2-х валовой передачи z = z₁+z₂ = const.

Числа зубьев шестерен выбираем по передаточному отношению по таблице 3, стр.122[16]:

Отсюда z₁=33, z₂=53.

Отсюда z₂=58, z₃=28.

Отсюда z₂=17, z₃=69

Определения модуля зубчатых колес

Крутящий момент на валу электродвигателя привода определяется по формулам [6]:

где

N_н — номинальная мощность электродвигателя привода, кВт;

щ — угловая скорость вала электродвигателя, рад/с; n_н — номинальная частота вращения, заданная в технической характеристике электродвигателя.

Крутящий момент на первом валу привода:

n₁ — частота вращения первого вала привода;

з₁ — коэффициент полезного действия передач от электродвигателя до первого вала, включая коэффициент полезного действия ремённой передачи (з=0,94…0,96) и подшипников качения первого вала (з=0,99).

з₁=0,95*0,99=0,9405

При определении крутящего момента на ІІ валу принимаем расчётную частоту вращения вала, которая соответствует верхнему значению. Т. е. n₂=80 мин^-1; з₂=0,9405*0,98=0,9217

Тогда крутящий момент на ІІ валу:

При расчёте зубчатых передач станков модули определяются не только исходя из прочности зубьев на изгиб m_изг, но из усталости поверхностных слоёв (по контактным напряжениям) m_пов.

Для стальных прямозубых колёс модули определяются по формулам:

где

z — число зубьев лимитирующего колеса;

[у_пов], [у_изг] — соответственно допускаемые контактные напряжения по усталости поверхностных слоёв и напряжения на изгиб, МПа;

N=N_н*з_i — номинальная передаваемая мощность, кВт;

з_i — К.п.д. от электродвигателя до рассчитываемой передачи;

n — расчетная частота вращения меньшего колеса, об/мин;

y — коэффициент формы зуба, при z=20.60, y=0,243…0,268;

i — передаточное отношение, всегда принимаем i?1. Для замедлительных

передач берём величину, обратную передаточному отношению зубчатой передачи;

где

b — ширина шестерни зуба;

d_ш — диаметр шестерни;

ш₀=0,7…1,6 — при симметричном расположении и жёстких валах;

ш₀=0,4…0,6 — при консольно-расположенной шестерни;

k — коэффициент нагрузки; k=k_дЧk_кЧk_р, где

k_д — коэффициент динамической нагрузки; k_д=1,1…1,2;

k_к — коэффициент концентрации нагрузки; k_к=1,2…1,4;

k_р — коэффициент режима; k_р=1,1…1,3.

Согласно [6]:

Допустимые контактные напряжения [у_пов] определяют по формуле:

где

у⁰_{пов (1,2)} — предел контактной выносливости лимитирующего звена зубчатой передачи (шестерни или колеса);

S_n — коэффициент безопасности при расчёте зубьев на контактную прочность;

индексы: 1-для шестерни, 2-для колеса.

В качестве материала для зубчатых колёс принимаем Сталь 40Х. Для неё в качестве термообработки используется объёмная закалка. При этом твёрдость составляет HRC 45.55. S_n=1,1.

Допускаемые напряжения изгиба [у_изг] определяют по формуле:

где

у⁰_{изг (1,2)} — предел изгибной выносливости лимитирующего звена зубчатой передачи;

S_u — коэффициент безопасности при расчёте зубьев на изгиб, S_u=1,75.

Тогда для передачи вал І-ІІ примем:

k_д=1,15 ,k_к=1,3 ,k_р= 1,2

k=1,15Ч1,3Ч1,2=1,794

При расчёте m_пов k=1,794

k_р= 1

k=1,15*1,3Ч1=1,495

При расчёте m_изг k=1,495

1. i=33/53 , y=0,243, ш=6, ш₀=0,6;

Принимаем m=2 мм.

2. i=58/28

Принимаем m=2 мм.

i=17/69

Принимаем m=2 мм.

Определение диаметров зубчатых колёс.

1) Определим делительные диаметры зубчатых колёс:

2) Определим диаметр окружностей вершин зубьев:

3) Определим расстояние между осями валов:

4) Определим ширину зубчатых венцов:

Расчёт валов на прочность.

При работе валов коробки скоростей основными нагрузками являются силы, возникающие в зубчатых передачах. Во вращающихся валах эти силы вызывают напряжения, изменяющиеся по знакопеременному симметричному циклу.

Предварительно расчёт на прочность определяет диаметр вала по условному расчёту на чистовое кручение без учёта влияния изгиба.

где

Т — крутящий момент на расчётном валу, Н*мм;

[ф_кр] — пониженное допускаемое напряжение кручения, МПа.

При предварительном расчёте для валов из конструкционных углеродистых сталей допускаемые напряжения кручения на выходных участках принимаем [ф_кр] =15…20 МПа. На остальных участках валов диаметры назначаем исходя из конструктивных и технологических требований.